KR20220089036A - 래들의 노즐 구조 - Google Patents

Abstract

래들의 노즐 구조가 개시된다. 본 실시 예에 따르면 용탕을 턴디쉬에 공급하기 위한 노즐부를 구비하는 래들에 있어서, 노즐부는 링 형상으로 마련되는 외면부와, 외면부와 연결된 외측단에서 내측 중심을 향해 하향 경사지는 경사면을 갖는 대경부와, 대경부의 중심에 마련되는 원통형의 소경부를 포함하며, 외면부와 대경부의 내측 경사면에는 방사상으로 비대칭 홈부가 마련되어 있다.

Description

래들의 노즐 구조{Nozzle Structure of Radle}

본 발명은 래들의 노즐에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용강의 출탕 시 발생하는 와류를 제어할 수 있는 래들의 노즐 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 제강 혹은 정련 조업에 사용되는 연속주조설비는 용강을 담고 있는 래들의 롱노즐을 통해 턴디쉬에 용강을 주입하고, 일정량의 용강이 턴디쉬에 채워지면 함유된 개재물의 부상 분리를 실행한다. 이후, 턴디쉬의 하부에 마련되어 있는 용강 주입제어장치의 미들 플레이트를 개방하고, 침지 노즐을 통해 용강을 몰드로 주입한다. 주입된 용강은 몰드 내에서 응고셀을 형성하면서 응고 냉각되어 주편을 형성한다.

용강(용탕)이 노즐을 통해 출탕될 때 래들 내부에서는 지구 자전에 의해 회전 와류(vortex)가 생기는 것으로 알려져 있으며, 용강 상부에 밀도 차이에 의해 존재하는 슬래그는 이러한 회전 와류에 의해 턴디쉬로 유입될 가능성이 상존한다. 또한, 슬래그는 Al2O3, MgO 등의 개재물이 주성분으로, 주조시 유입되면 슬라브 내 결함을 유발하는 동시에 연주 노즐 막힘의 원인이 되기도 하기 때문에 생산성 저하를 초래한다.

따라서, 용강의 래들 출탕 시 발생하는 와류의 억제와 턴디쉬로 슬래그가 유입되는 것을 방지하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

미국 등록 특허 제5766543호(1998.06.16)

본 실시 예에 따르면 턴디쉬에 용탕을 주입하는 래들의 노즐부 형상을 최적화하여 회전 와류의 발생을 효과적으로 제어하는 동시에 슬래그의 유입을 억제하고자 한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 용탕을 턴디쉬에 공급하기 위한 노즐부를 구비하는 래들에 있어서, 노즐부는 링 형상으로 마련되는 외면부와, 외면부와 연결된 외측단에서 내측 중심을 향해 하향 경사지는 경사면을 갖는 대경부와, 대경부의 중심에 마련되는 원통형의 소경부를 포함하며, 외면부와 대경부의 내측 경사면에는 방사상으로 비대칭 홈부가 마련되어 있는 래들의 노즐 구조가 제공될 수 있다.

또한, 상기 외면부는 상기 비대칭 홈부가 마련되어 있는 비대칭 홈부 영역과, 상기 비대칭 홈부가 마련되지 않는 댐부 영역을 포함할 수 있다.

또한, 상기 비대칭 홈부는 복수의 홈을 포함하고, 각 홈은 상기 대경부 높이의 1/2까지 연장 마련될 수 있다.

또한, 상기 비대칭 홈부는 복수의 홈을 포함하고, 각 홈은 상부에서 하부로 갈수록 폭이 좁아질 수 있다.

또한, 상기 비대칭 홈부는 적어도 3개 이상 7개 이하로 마련될 수 있다.

또한, 상기 비대칭 홈부는 3개로 마련될 수 있다.

또한, 상기 비대칭 홈부는 7개로 마련될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 래들의 노즐 구조는 복수의 홈을 비대칭으로 배치함으로써 와류 발생 시점을 제어하고 슬래그의 유입을 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 예에 따른 래들의 노즐 구조는 예를 들어, 3 개의 홈을 비대칭으로 마련함으로써 와류 발생 시점을 늦추어 용탕의 잔류 용강량을 줄일 수 있으며, 또한 7 개의 홈을 비대칭으로 마련함으로써 와류 발생 시점에서 용탕의 잔류 용강량을 슬래그가 유입되기 전까지 최대한 늘려 작업 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속주조설비의 래들을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명이 일 실시 예에 따른 래들의 노즐부를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 래들 노즐부와 비교예의 잔탕 감소율을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 래들 노즐부와 비교예의 용탕 속도 변화를 시물레이션한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 래들의 노즐부를 도시한 사시도이다.
도 7는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 래들 노즐부와 비교예의 탕면 속도 거동을 시뮬레이션한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 래들 노즐부와 비교예의 잔탕 감소율을 설명하기 위한 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속주조설비의 래들을 개략적으로 도시한 것이다. 도시한 바와 같이, 용강을 담고 있는 래들(1)은 금속재의 외부쉘(2)과, 외부쉘(2)의 내부에 내화물로 축조되어 용탕 온도를 보온하기 위한 내벽(4)을 구비한다. 래들(1)의 바닥면에는 노즐부(10)가 마련되어 있으며, 이 노즐부(10)를 통해 턴디쉬(미도시)로 용강(용탕)을 출탕하거나 정지시키기 위해 슬라이딩 게이트를 포함하는 개폐부(6)가 하단면에 마련되어 있다.

도 2는 본 실시 예에 따른 래들의 노즐 구조(이하, 노즐부라고 지칭함)를 도시한 사시도이며, 도 3은 본 실시 예에 따른 래들 노즐부의 측단면도이다.

본 실시 예에 따른 노즐부(10)는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 링 형상으로 마련되는 외면부(11)와, 외면부(11)의 내측에 하향 경사지게 마련되는 대경부(12)와, 대경부(12)의 내측에 원통형으로 마련되는 중경부(13)와, 중경부(13)의 내측에 원통형으로 마련되는 소경부(14)를 포함할 수 있다.

외면부(11)는 경사진 대경부(12)의 가장자리를 따라 편평하게 마련되는 링 형태의 플랜지이다. 외면부(11)는 종래 동일한 크기의 입구를 갖는 노즐부 대비 턴디쉬로 주입되는 입구를 줄임으로써 노즐부(10)로 유입되는 용탕의 유입량을 감소시켜 회전 와류가 생성될 때 발달하는 접선 유동(tangential flow)을 억제한다.

대경부(12)는 외면부(11)와 연결된 외측단에서 내측 중심을 향해 하향 경사지는 경사면을 가지며, 그 내측단은 원통형으로 마련되는 중경부(13)와 연결된다. 대경부(12)의 높이는 중경부(13)보다 대략 2배 정도 높게 마련될 수 있다.

외면부(11)와 대경부(12)의 내측 경사면에는 방사상으로 구체적으로는 반경 방향을 따라 비대칭 홈부(15)가 마련된다. 본 실시 예에 따르면, 비대칭 홈부(15)는 도 2에 도시한 바와 같이 동일한 형상의 홈(15a, 15b, 15c)이 3개 마련될 수 있으며, 각 홈(15a, 15b, 15c)은 소정 간격을 가지는 한편 동일 평면 상에서 비대칭이 되도록 외면부(11)에 분산 배치된다.

좀 더 구체적으로, 비대칭 홈부(15)의 각 홈(15a, 15b, 15c)은 외면부(11)의 가장자리로부터 대경부(12)의 내측 경사면 중간 정도(약 1/2)까지 요홈(凹) 형태로 오목하게 파여 연장 마련될 수 있다.

또한, 비대칭 홈부(15)는 적어도 90도의 원호를 갖는 부채꼴 형상의 댐부(16)를 더 포함할 수 있다. 댐부(16)는 비대칭 홈부(15)가 형성되지 않는 외면부(11) 상의 평면 영역으로, 이 댐부 영역을 제외한 외면부 영역에 본 실시 예에 따라 3 개의 홈(15a, 15b, 15c)이 적정한 간격으로 상호 비대칭으로 이격 배치될 수 있다. 비대칭 홈부가 마련되지 않는 댐부 영역과, 비대칭 홈부 영역을 통해 노즐부에서 용탕의 이동 속도는 늦추어질 수 있다.

이하에서는, 본 실시 예에 따른 래들의 노즐부(실시예 1, 실시예 1-1)와, 본 실시예들과 대비되는 비교예(비교예 1 ~ 비교예 4, 비교예 1-1)들을 참조하여 설명하기로 한다. 설명에 앞서, 비교예들은 본 실시예들에 따른 래들의 노즐부와 동일한 크기를 가지며,소경부는 동일한 사이즈의 원통형으로 마련되어 있다.

아울러, 본 실시예와 비교예의 래들 노즐부들은 실제 래들과 용탕을 이용하여 형상에 따른 와류 변화를 측정하는 것이 가장 바람직하나, 현장에 설치된 래들 설비의 노즐부에서 용탕의 유동 거동 및 구현 방법을 확인하기는 어렵기 때문에, 용강 래들을 축소한 실험 장치에서 용탕의 실제 점도를 모사 구현하여 측정하였다. 아울러, 노즐부틀 통해 출탕되는 용탕은 잔탕받이에 수용하고, 잔탕받이의 하부에 출탕된 용탕의 무게를 측정하기 위한 저울을 설치하여 와류의 거동을 측정하였다. 또한, 실험은 출탕이 완전히 끝날 때까지 기다렸다가 종료 후 무게 분석을 진행하여 래들 내 잔탕 감소율이 급격히 변하는 시점 즉, 회전 와류(vortex)가 발생하는 시점을 관측한다.

먼저, 실시예 1과 비교예 1은 직경(외경)이 90mm로 마련된 래들 노즐부로, 비교예 1은 비대칭 홈부가 형성되어 있지 않은 원형의 외면부(11) 및 대경부(12)를 갖는 것이며, 실시예 1은 폭 10mm, 높이 10mm인 복수의 홈(15a, 15b, 15c)으로 이루어지는 비대칭 홈부(15)를 90mm의 외면부(11) 및 50mm의 대경부(12)에 마련한 것이다. 중경부(13)는 34mm로 마련되고, 소경부(14)는 12mm로 마련될 수 있다.

도 4는 노즐부 형상에 따른 래들 내 잔탕 감소율을 나타낸 그래프이다. 도면에서 주황색은 비교예 1이며, 파랑색은 실시예 1이다. 도시된 바와 같이, 비교예 1의 경우 잔탕 감소율이 급변하는 와류 발생 시점은 70.63sec이고, 이에 반해 실시예 1의 와류 발생 시점은 74.57sec로 약 4초가 지연됨을 알 수 있다. 이를 래들 내 잔류 용강량으로 비교하면, 잔류 용강량은 10.93kg 에서 7.13kg으로 감소하였다. 따라서, 비대칭 홈부(15)를 통해 용탕의 유동이 불규칙해지면서 와류 발생 시점이 지연되는 시간 동안 좀 더 많은 양의 용탕을 턴디쉬에 유입시킬 수 있으므로 작업 효율을 높일 수 있다.

도 5는 노즐 형상에 따른 노즐부의 용탕 속도 변화를 나타낸 것으로, 좌측이 비교예 1 이고, 우측이 실시예 1이다. 도시한 바와 같이, 동시간 대비 실시예 1이 비교예 1 보다 노즐부에서 출탕되는 용탕의 속도 변화(유속)가 늦추어지면서 회전 와류의 생성 속도를 지연시킬 수 있음을 알 수 있으며, 이를 통해 용탕을 좀 더 턴디쉬에 주입할 수 있다.

여기서, 도시하지는 않았지만 실시예 1과 유사하게 비대칭 홈부를 2 개의 비대칭 홈으로 구성한 예(비교예 2)와, 4개 및 5개의 비대칭 홈으로 구성한 예(실시예 2와 실시예 3)를 마련하여 실험하였다. 그 결과, 비교예 2는 비교예 1에 비해 와류 발생 시점은 소폭 늦추어지고 잔류 용강량도 소폭 감소하였으나 비교예 1과 유의미한 차이가 없었다. 실시예 2와 실시예 3은 실시예 1과 마찬가지로 비교예 1에 비해서는 큰 폭으로 와류 발생 시점과 잔류 용강량이 변화하였으나 실시예 1 대비 증감 폭에 유의미한 차이가 없었다. 구체적으로, 실시예 2와 3은 실시예 1보다 와류 발생 시점이 점진적으로 조금씩 늦추어지고 잔류 용강량도 점진적으로 조금씩 줄어들어 종래 대비 작업 효율성은 있으나, 이 경우 실시예 1에 비해 노즐부의 제조 공정이 좀 더 복잡해지므로 실시예 1을 채용하는 것이 더 경제적이다.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시 예(실시예 1-1)에 따른 래들의 노즐부를 도시한 사시도이다. 본 실시 예는 일 실시 예와 다른 점을 중심으로 설명하며, 동일한 참조 부호는 동일한 기능을 수행하므로 상세한 설명을 생략한다. 본 실시 예에서 노즐부(20)는 일 실시 예의 외면부와 대경부와 중경부를 실험을 위해 구조를 단순화하여 외경부(21)로 마련하고, 일 실시 예의 소경부에 해당하는 내경부(24)를 포함하는 것으로 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 외경부(21)는 외면부와 대경부의 내측 경사면에 비대칭 홈부를 형성하는 것은 일 실시 예와 동일하며, 다만 가공의 편의를 위해 중경부는 생략하였다. 이 때, 노즐부의 외측 경사면은 일 실시 예와 마찬가지로 외면부와 대경부와 중경부 형태로 구분해서 마련할 수도 있다.

본 실시 예에 따른 래들의 노즐부(20)는 비대칭 홈부(25)가 7개의 홈으로 마련된다. 각 홈은 용탕의 이동 속도 저감을 위한 90도의 댐부(26) 영역을 제외한 외경부(21)(외면부 및 대경부(22) 포함)에 소정 간격을 두고 방상상으로 비대칭 마련된다. 또한, 본 실시 예에서 비대칭 홈부(15)의 각 홈은 내경부(24)와 연결되는 외경부(21)의 바닥까지 연장 마련되어 있으며, 각 홈은 상부에서 하부로 갈수록 폭이 좁아지게 마련되어 있다. 홈의 폭을 일정하게 할 경우, 직경이 작은 안쪽 및 하부에서 사용 중 파손이 발생하기 쉽다.

실험을 위해, 상기와 같이 마련되는 본 실시 예에 따른 래들의 노즐부(20)(실시예 1-1)와 비교예 1-1은 각각 외경(직경)이 150mm로, 실시예 1-1은 폭 10mm, 높이가 약 20mm인 복수의 홈을 포함하는 비대칭 홈부(25)를 외경부(21)에 마련한 것이고, 비교예 1-1은 비대칭 홈부가 형성되어 있지 않은 원형의 외경부(21)를 갖는 것이다. 내경부(24)는 약 12mm로 일 실시 예와 동일한 직경을 갖는다. 여기서, 본 실시 예에서는 노즐부를 소정 사이즈로 한정하여 설명하지만, 이는 일례에 불과할 뿐 본 발명은 이에 한정되지 않고 적절하게 변형 및 수정될 수 있다.

도 7은 실시예 1-1와 비교예 1-1의 래들 내 탕면의 속도 거동을 시뮬레이션한 것을 도시한 것이다. 도면을 참조하면, 실시예 1-1의 경우 노즐부(20)에 비대칭 홈부(25)를 마련함으로써 동시간 대비 탕면의 속도 변화(유속)가 비대칭 홈부가 없는 비교예 1-1보다 오히려 빨라졌음을 알 수 있다. 즉, 실시예 1-1은 상술한 실시예 1과 반대의 결과로, 이는 비대칭 홈부(25)의 개수가 어느 정도 늘어나면 와류 발생 시점이 늘었다가(실시예 1 참조) 다시 줄어들고 있음을 나타낸다.

도 8은 본 실시예 1-1과 비교예 1-1에 따른 래들 내 잔탕 감소율 변화를 도시한 것이다. 도면을 참조하면, 실시예 1-1은 회전 와류 발생 시점에서 유속이 빨라져 비교예 1-1 대비 잔류 용강량이 5.93kg에서 4.21kg으로 감소함을 알 수 있으며, 이를 통해 동시간에 더 많은 양의 용탕을 턴디쉬에 유입시키고 있음을 알 수 있다.

한편, 도시하지는 않았지만 실시예 1-1과 대비하기 위하여 비대칭 홈부(25)를 8개의 비대칭 홈으로 구성한 예(비교예 3)와, 9개의 비대칭 홈으로 구성한 예(비교예 4)를 마련하여 실험하였다. 그 결과, 비교예 3부터는 용탕의 빠른 토출 속도로 인해 용탕과 더불어 슬래그 등의 개재물 불순물이 턴디쉬에 혼입되기 시작하면서 용강의 품질을 떨어뜨리는 문제점이 발생하였다(잔류 용강량 약 4kg 전후). 아울러, 비교예들의 실험 결과 비대칭 홈의 개수가 늘어날 수록 형상이 복잡해지면서 제조가 어려워 불량 발생이 커지는 한편 고온의 용탕 노출에 의해 수명이 단축될 가능성도 높다.

따라서, 본 실시 예에 따른 래들의 노즐부는 3개 이상 ~ 7개 이하로 비대칭 홈부를 형성하는 것이 노즐의 수명과 용강의 품질을 고려했을 때 작업 효율성이 우수함을 알 수 있다(실시예 1 > 실시예 2 > 실시예 3 > 실시예 1-1). 특히, 노즐부의 비대칭 홈이 3개일 경우 노즐부의 수명 및 용강 생산성이 다른 노즐부 대비 현저히 우수하며, 노즐부가 7개일 경우 제조 단가가 높아지고 노즐부의 수명이 다른 실시예들보다는 상대적으로 줄지만 용강의 작업 생산성은 종래보다 높기 때문에 고품질의 용강을 보다 효과적으로 제조할 수 있다.

1..래들 10,20..노즐부
11..외면부 12..대경부
13..중경부 14..소경부

Claims (7)

1. 용탕을 턴디쉬에 공급하기 위한 노즐부를 구비하는 래들에 있어서,
   상기 노즐부는
   링 형상으로 마련되는 외면부와,
   상기 외면부와 연결된 외측단에서 내측 중심을 향해 하향 경사지는 경사면을 갖는 대경부와,
   상기 대경부의 중심에 마련되는 원통형의 소경부를 포함하며,
   상기 외면부와 상기 대경부의 내측 경사면에는 방사상으로 비대칭 홈부가 마련되어 있는 래들의 노즐 구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 외면부는 상기 비대칭 홈부가 마련되어 있는 비대칭 홈부 영역과, 상기 비대칭 홈부가 마련되지 않는 댐부 영역을 포함하는 래들의 노즐 구조.
3. 제1항에 있어서,
   상기 비대칭 홈부는 복수의 홈을 포함하고, 각 홈은 상기 대경부 높이의 1/2까지 연장 마련되는 래들의 노즐 구조.
4. 제1항에 있어서,
   상기 비대칭 홈부는 복수의 홈을 포함하고, 각 홈은 상부에서 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 래들의 노즐 구조.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 비대칭 홈부는 적어도 3개 이상 7개 이하로 마련되는 래들의 노즐 구조.
6. 제5항에 있어서,
   상기 비대칭 홈부는 3개로 마련되는 래들의 노즐 구조.
7. 제5항에 있어서,
   상기 비대칭 홈부는 7개로 마련되는 래들의 노즐 구조.

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