KR20230082296A - 스토퍼 - Google Patents

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KR20230082296A
KR20230082296A KR1020210170089A KR20210170089A KR20230082296A KR 20230082296 A KR20230082296 A KR 20230082296A KR 1020210170089 A KR1020210170089 A KR 1020210170089A KR 20210170089 A KR20210170089 A KR 20210170089A KR 20230082296 A KR20230082296 A KR 20230082296A
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KR
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stopper
injection
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molten steel
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KR1020210170089A
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조승현
김장훈
이진호
신호섭
Original Assignee
주식회사 포스코
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • B22D11/106—Shielding the molten jet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
    • B22D41/14—Closures
    • B22D41/16—Closures stopper-rod type, i.e. a stopper-rod being positioned downwardly through the vessel and the metal therein, for selective registry with the pouring opening
    • B22D41/18—Stopper-rods therefor
    • B22D41/186—Stopper-rods therefor with means for injecting a fluid into the melt

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Abstract

본 발명은 스토퍼에 관한 것으로서, 용융물을 배출하기 위한 배출구를 개폐시키며, 기체가 주입되는 내공부가 형성된 스토퍼로서, 상하 방향으로 연장되는 바디부; 상기 바디부의 하단에 연결되는 헤드부; 및 상기 헤드부에 마련되고, 상기 내공부로 주입된 기체가 외부로 배출되는 쪽의 내경이 상기 내공부로부터 유입되는 쪽의 내경보다 크게 형성되는 분사부;를 포함하고, 용강 중 개재물에 의해 분사부의 유로가 막히는 현상을 억제할 수 있다.

Description

스토퍼{STOPPER}
본 발명은 스토퍼에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용융물을 배출하는 노즐을 개폐시키기 위한 스토퍼에 관한 것이다.
연속 주조는 제강로에서 생산되어 래들(ladle)로 이송된 용강을 턴디시(tundish)에 받았다가 몰드(mold)로 공급하여 일정한 크기의 주편을 연속 생산하는 조업이다. 턴디시에 저장된 용강은 턴디시 바닥에 구비된 침지 노즐을 통해 몰드로 공급되고, 침지 노즐을 통과하는 용강의 유량은 침지 노즐의 상부에서 상하로 구동되는 스토퍼(stopper)에 의해 제어된다.
주조 공정이 반복되면서 용강 내에 존재하는 개재물은 스토퍼의 헤드 부분이나 침지 노즐의 내벽에 부착될 수 있다. 이렇게 부착되는 개재물은 용강의 유로를 형성하는 스토퍼의 헤드 부분과 침지 노즐의 내벽 사이의 간격을 불규칙하게 변화시켜, 몰드로 공급되는 용강의 흐름이 교란될 수 있다. 이에, 몰드 내에서의 탕면 레벨이 불규칙하게 변동되어, 생성되는 주편의 품질과 생산성이 저하될 수 있다.
또한, 스토퍼의 헤드 부분이나 침지 노즐의 내벽에 개재물이 지속적으로 부착되면 용강의 공급량을 확보하기 위해 스토퍼를 상승시켜야 한다. 그러나, 스토퍼의 상승에는 한계가 있으며, 상승 한계에 도달하게 되면 더 이상 용강 공급량을 맞출 수 없어 조업이 중단되는 문제가 있었다.
이에 스토퍼 내에 내공부를 마련하고, 스토퍼의 헤드 부분에 내공부와 연통하는 분사부를 마련하여 헤드 부분의 외측으로 불활성 기체를 분사함으로써 헤드 부분이나 침지 노즐의 내벽에 개재물이 부착되는 것을 방지하는 방식이 사용되고 있다. 그런데 불활성 가스가 분사되는 과정에서 분사부의 분사구 주변에 압력 변화가 발생하여, 용강이 분사부의 내부로 침투하는 현상이 발생된다. 이에 분사부 내부, 예컨대 유로에 개재물이 부착되고, 부착된 개재물이 성장함에 따라 분사부의 유로가 막혀 불활성 가스를 원활하게 분사할 수 없는 문제가 있다.
KR 10-1667674 B
본 발명은 분사부의 유로에 개재물이 부착되는 현상을 억제할 수 있는 스토퍼를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼는, 용융물을 배출하기 위한 배출구를 개폐시키며, 기체가 주입되는 내공부가 형성된 스토퍼로서, 상하 방향으로 연장되는 바디부; 상기 바디부의 하단에 연결되는 헤드부; 및 상기 헤드부에 마련되고, 상기 내공부로 주입된 기체가 외부로 배출되는 쪽의 내경이 상기 내공부로부터 유입되는 쪽의 내경보다 크게 형성되는 분사부;를 포함할 수 있다.
상기 분사부는 상기 내공부와 연통되도록 상기 헤드부의 내부에 형성되는 유입공과, 상기 헤드부의 외면에 형성되는 분사공 및 상기 유입공과 상기 분사공을 연결하는 유로를 포함하고, 상기 분사공의 내경이 상기 유입공의 내경보다 크게 형성될 수 있다.
상기 유로는, 일단에 상기 유입공이 형성되고, 상기 헤드부의 외측 방향으로 연장되는 제1유로; 및 일단은 상기 제1유로의 타단에 연결되고, 타단에 상기 분사공이 형성되는 제2유로;를 포함하고, 상기 제1유로는 연장되는 방향으로 동일한 내경을 가지며, 상기 제2유로는 상기 제1유로에서 상기 분사공이 있는 방향으로 갈수록 내경이 증가하도록 형성될 수 있다.
상기 분사공은 상기 유입공의 1배 초과 4배 이하의 직경을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 유입공의 직경은 1 내지 3㎜이고, 상기 분사공의 직경은 3 내지 12㎜ 이하일 수 있다.
상기 제1유로의 내경은 1 내지 3㎜이고, 상기 제2유로의 내경은 1 내지 12㎜ 이하일 수 있다.
상기 제2유로의 내면은 상기 제1유로의 내면을 상기 제1유로가 연장되는 방향으로 연장한 직선과 0° 초과, 50° 이하의 경사각을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 제2유로의 내면은 곡면을 포함할 수 있다.
상기 제1유로의 길이는 상기 제2유로의 길이보다 길게 형성될 수 있다.
상기 제2유로의 길이는 상기 제1유로와 제2유로의 길이를 합한 전체 길이에 대해서 5 내지 20%일 수 있다.
상기 배출구는 용융물이 수용되는 턴디시의 출강구에 설치되는 노즐에 의해 형성되고, 상기 헤드부는 상기 배출구에 설치되는 노즐과 접촉 가능한 접촉대를 포함하며, 상기 분사부는 상기 접촉대보다 상측에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 배출구를 개폐하는 스토퍼를 제작함에 있어 분사부의 유로의 내경을 다원화하여, 용강 중 개재물에 의해 분사부의 유로가 막히는 현상을 억제할 수 있다. 즉, 분사부에서 가스가 배출되는 쪽의 내경을 점진적으로 확장되는 형상으로 형성함으로써 압력 변화에 의해 용강이 분사부의 유로에 침투하는 현상을 억제하고, 분사부가 막히는데 소요되는 시간을 증가시킬 수 있다. 따라서 주조 중 분사부를 통해 가스를 일정하게 분사할 수 있으므로, 스토퍼의 헤드부나 침지 노즐의 내면에 개재물이 부착되는 현상을 억제하여, 조업의 안정성을 확보할 수 있고 고품질의 주편을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연속 주조 설비를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼를 보여주는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 선A-A' 및 선B-B'에 따른 스토퍼의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼의 헤드부를 보여주는 도면.
도 5는 종래기술에 따른 스토퍼의 분사부에서 가스가 분사되는 과정을 개념적으로 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼의 분사부에서 가스가 분사되는 과정을 개념적으로 보여주는 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼의 성능을 검증하기 위한 실험 결과를 보여주는 사진.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼의 성능을 검증하기 위한 실험에서 획득된 심봉 및 심봉의 성분 분석 결과를 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장되어 도시될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼는 용융물 등과 같은 유체를 배출시킬 수 있는 배출구를 개폐할 수 있다. 스토퍼의 내부에는 외부로 기체를 분사할 수 있는 분사부가 마련되어, 스토퍼와 배출구 주변에 개재물이 부착되는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다. 이때, 분사부는 기체가 분사되는 쪽의 압력 변화를 저감시켜 분사부 내부의 유로로 유체가 침투되는 것을 억제할 수 있다. 여기에서는 유체를 주조 공정에서 사용되는 용융물 또는 용강으로 예시하나, 유체는 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다. 이하에서는 연속주조공정에 적용되는 스토퍼를 예시적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연속 주조 설비를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 연속 주조 설비는 정련된 용강을 공급받아 임시로 저장하는 턴디시(tundish)(10)와, 턴디시(10)의 하측에 배치되어 턴디시(10)로부터 출강되는 용강을 주편 형상으로 응고시키는 몰드(mold)(20) 및 턴디시(10)에 형성되는 배출구에 설치되어 턴디시(10)로부터 몰드(20)로 용융물, 즉 용강을 배출하는 노즐(30)을 포함한다.
턴디시(10)는 내부에 용강이 저장될 수 있는 공간이 형성되고, 상부가 개방될 수 있다. 턴디시(10)의 개방된 상부는 커버로 덮여있을 수 있다. 커버는 턴디시(10) 내부에 저장되는 용강이 외부의 공기와 접촉하는 것을 억제하거나 방지한다. 이에, 용강이 산화 및 응고되는 것을 방지할 수 있다. 턴디시(10)의 바닥에는 용강이 빠져나갈 수 있는 출강구가 형성될 수 있다. 한편, 턴디시(10)의 구조와 형상은 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다.
노즐(30)은 턴디시(10)의 출강구에 설치되어, 용강이 배출되는 배출구를 형성할 수 있다. 이러한 노즐(30)은 일단이 몰드(20)의 내부를 향하여 연장 형성되고, 타단이 턴디시(10)의 출강구에 연결되는 침지 노즐을 포함할 수 있다. 노즐(30)의 일단에는 용강이 배출될 수 있는 하나 이상의 토출구가 형성될 수 있다. 이에, 턴디시(10) 내부에서 배출구를 통해 노즐(30)로 공급된 용강이 몰드(20)로 배출될 수 있다. 노즐(30)의 구조와 형상은 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다.
몰드(20)는 턴디시(10)의 하측에 이격되어 배치된다. 몰드(20)는 개구된 형태를 가지며, 마주보는 한 쌍의 벽면들 사이가 턴디시(10)로부터 공급받은 용강이 일시 수용되는 공간을 형성할 수 있다. 몰드(20)의 벽면 내부에는 냉각 유체가 이동할 수 있는 냉각 유로(미도시)가 형성될 수 있다. 따라서, 냉각 유체가 몰드(20)의 벽면 내부에 형성된 냉각 유로를 따라 이동하면서, 몰드(20)에 공급되는 용강을 응고시켜 주편을 생산할 수 있다. 한편, 몰드(20)의 구조와 형상 및 용강을 냉각시키는 방법은 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다.
몰드(20)로 공급되는 용강의 유량을 제어하기 위하여 노즐(30)에 의해 형성되는 배출구를 개폐하는 스토퍼(100)가 설치된다. 스토퍼(100)는 구동부(200)를 통해 승강 이동할 수 있는데, 구동부(200)는 몰드(20)의 탕면 위치를 검출하는 레벨 센서(40)와 연결되어 몰드(20) 내 탕면의 높이에 따라 스토퍼(100)를 승강시킨다. 여기서, 구동부(200)는 예를 들어 턴디시(10)에 지지되고, 레벨 센서(40)의 신호에 따라 승강 구동력을 제공하는 구동기(210), 상하 방향으로 연장 형성되고 구동기(210)에 연결되는 승강 부재(220) 및 스토퍼(100)와 승강부재(220)를 연결하는 연결 부재(230)를 포함할 수 있다. 스토퍼(100)는 이와 같은 구동부(200)를 통해 상승 또는 하강하여 스토퍼(100)의 단부, 즉 헤드 부분과 노즐(30)의 내벽 사이의 간격을 조절함으로써 몰드(20)에 공급되는 용강의 공급량을 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼를 보여주는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 선A-A' 및 선B-B'에 따른 스토퍼의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼의 헤드부를 보여주는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼(100)는, 용융물을 배출하기 위한 배출구를 개폐시키며, 기체가 주입되는 내공부(130)가 형성된 스토퍼(100)로서, 상하 방향으로 연장되는 바디부(110)와, 바디부(110)의 하단에 연결되는 헤드부(120) 및 헤드부(120)에 마련되고, 내공부(130)로 주입된 기체가 외부로 배출되는 쪽의 내경이 내공부(130)로부터 가스가 유입되는 쪽의 내경보다 크게 형성되는 분사부(140)를 포함한다.
바디부(110)는 상하 방향으로 연장되어 형성된다. 예를 들어, 바디부(110)는 상하 방향으로 동일한 직경을 가지며 연장되는 원통형의 형상을 가질 수 있다. 이와 같은 바디부(110)는, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 상측 단부가 용기, 즉 턴디시(10)의 상부로 돌출되어 턴디시(10)의 외측에 마련된 구동부(200)에 연결되고, 구동부(200)에 의하여 노즐(30) 상에서 승강될 수 있다. 또한, 바디부(110)는 주조 중에 하부 일부가 용강에 침지될 수 있다.
헤드부(120)는 바디부(110)의 하단에 연결된다. 헤드부(120)는 노즐(30) 또는 배출구를 마주보는 바디부(110)의 하측 단부에 연결되고, 바디부(110)의 승강에 의하여 승강하여 노즐(30)의 개도를 제어함으로써 용융물 예컨대 용강의 배출량을 제어할 수 있다. 도 2의 (a)를 참조하면, 헤드부(120)는 상하 방향으로 연장되며 하측으로 갈수록 직경이 좁아지도록 형성될 수 있다. 이와 같은 헤드부(120)는 예를 들어 외주면이 곡면으로 형성되는 반구 형상을 가질 수 있다.
헤드부(120)의 직경은 상하 방향으로 적어도 일측에서 노즐(30)의 배출구 내경보다 작게 형성될 수 있다. 이에, 헤드부(120)는 스토퍼(100)의 하강시 헤드부(120)의 일부가 노즐(30) 내부로 삽입되고, 그 상부는 노즐(30)에 접촉되어 지지된다. 이처럼, 헤드부(120)는 노즐(30)의 내측 벽면에 접촉되어 지지되는 영역인 접촉대(T)를 포함할 수 있다. 접촉대(T)는 헤드부(120)의 둘레 방향을 따라 형성되며, 예컨대 원형의 띠 형상을 가질 수 있다. 스토퍼(100)가 하강하여 헤드부(120)의 접촉대(T)가 노즐(30)의 내측 벽면에 밀착되면 노즐(30)은 폐쇄되어 용강이 배출되지 않게 된다. 또한, 스토퍼(100)가 상승하여 접촉대(T)가 노즐(30)의 내측 벽면으로부터 이격되면, 헤드부(120)와 노즐(30)의 내측 벽면 사이로 용강이 유입되어 몰드(20)로 배출될 수 있다.
내공부(130)는 바디부(110)를 상하방향으로 관통하도록 형성되고, 하부의 일부는 헤드부(120)의 내부로 연장 형성될 수 있다. 내공부(130)는 바디부(110)의 상부에 마련되는 기체 공급장치(미도시)와 연결되어, 기체 공급장치를 이용하여 공급되는 기체를 이동시킬 수 있는 경로를 형성한다. 이때, 내공부(130) 중 바디부(110)에 형성되는 내공부(130)를 상부 영역 또는 내공부(130)의 상부 영역이라 하고, 헤드부(120)에 형성되는 내공부(130)를 하부 영역 또는 내공부(130)의 하부 영역이라 한다.
분사부(140)는 헤드부(120)에 마련되어, 내공부(130)로 공급되는 기체를 외부로 배출시킬 수 있다. 분사부(140)는 헤드부(120)에 형성되는 접촉대(T)의 상측에 형성될 수 있다. 분사부(140)는 내공부(130)의 하부 영역과 연통되고 헤드부(120)의 외주면을 관통하도록 형성될 수 있다. 분사부(140)는 내공부(130)에서 스토퍼(100)의 외부, 또는 헤드부(120)의 외주면을 향해 하향 경사지는 관 형상으로 마련될 수 있다. 이러한 분사부(140)는 공구를 이용한 드릴링 방식 등을 이용하여 형성될 수도 있고, 스토퍼(100) 또는 헤드부(120)를 제작하기 위한 성형, 소성 등의 과정에서 형성될 수도 있다. 분사부(140)는 헤드부(120)의 둘레 방향으로 복수개가 이격되도록 마련될 수 있다. 예컨대 분사부(140)는 도 2의 (b)에 도시된 것처럼 6개가 내공부(130)의 중심 또는 스토퍼(100)의 중심을 기준으로 방사상으로 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 분사부(140)는 내공부(130)와 연통되도록 헤드부(120)의 내부에 형성되는 유입공(141)과, 헤드부(120)의 외면에 형성되는 분사공(142) 및 유입공(141)과 분사공(142)을 연결하는 유로(143)를 포함할 수 있다. 이때, 유입공(141)은 내공부(130)의 벽면에 형성되고, 분사공(142)은 헤드부(120)의 외주면에 형성될 수 있다. 분사공(142)은 상하방향으로 유입공(141)보다 낮은 위치에 배치되고, 유로(143)는 유입공(141)에서 분사공(142) 쪽으로 하향 경사지게 배치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 분사공(142)은 유입공(141)보다 큰 직경을 갖도록 형성(DIN<DOUT)될 수 있다. 예컨대 분사공(142)의 직경(DOUT)은 유입공(141)의 직경(DIN)의 1배 초과, 4배 이하 또는 2 내지 3배 정도 크게 형성될 수 있다. 예컨대 유입공(141)의 직경(DIN)은 1 내지 3㎜ 정도이고, 분사공(142)의 직경(DOUT)은 3 내지 12㎜, 또는 5 내지 10㎜, 또는 7 내지 9㎜ 정도일 수 있다. 이때, 분사공(142)의 직경(DOUT)이 유입공(141)의 직경(DIN)의 1배 이하면, 제2유로(143b)의 내경을 점진적으로 확장되는 형태로 형성할 수 없다. 이에 분사공(142)의 외부에서 압력 변화를 저감시키는 효과를 구현하기 어렵고, 용강이 유로(143), 즉 분사부(140)의 내부로 침투하는 깊이를 저감시킬 수 없다. 또한, 분사공(142)의 직경(DOUT)은 유입공(141)의 직경(DIN)의 4배를 초과하면, 분사공(142)의 직경(DOUT)이 지나치게 커져서 용강이 분사부(140)의 내부로 쉽게 침투하는 문제가 있다. 또한, 분사공(142)의 직경(DOUT)이 지나치게 커지면, 기체의 분사 압력을 확보하기 위해서 기체의 공급량을 늘려야 한다. 이처럼, 기체의 분사 압력을 확보하기 위해 기체의 공급량을 늘리면, 분사공(142)을 통해 용강으로 분사되는 기체가 노즐(30)의 내공부를 통해 몰드(20)로 유입될 수 있다. 이 경우, 몰드(20)에서 용강이 끓어오르면서 유동 불량이 발생되어 용강 상부에 위치하는 몰드 플럭스가 용강으로 혼입되고, 심한 경우 몰드(20) 아래쪽에서 주편이 터지는 현상이 일어나 조업을 중단해야하는 문제가 있다. 따라서 제시된 범위에서 분사공(142)의 직경(DOUT)을 적절하게 형성하여, 주조 중 용강이 분사부(140)의 유로(143)로 침투하는 깊이를 조절할 수 있다.
유로(143)는 일단에 유입공(141)이 형성되고 헤드부(120)의 외측 방향으로 연장되는 제1유로(143a)와, 일단은 제1유로(143a)의 타단에 연결되고 타단에 분사공(142)이 형성되는 제2유로(143b)를 포함할 수 있다. 제1유로(143a)는 제1내경을 가지며, 제2유로(143b)는 일부가 제1유로(143a)보다 큰 제2내경을 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 제1내경은 유입공(141)의 직경(DIN)과 동일할 수 있다.
제1유로(143a)는 제1유로(143a)의 길이와 제2유로(143b)의 길이를 합한 유로(143)의 전체 길이에 대해서, 80 내지 95%, 또는 85 내지 90% 정도의 길이(LIN)를 갖도록 형성될 수 있다. 그리고 제2유로(143b)는 유로(143)의 전체 길이에 대해서, 5 내지 20%, 또는 10 내지 15% 정도의 길이(LOUT)를 갖도록 형성될 수 있다. 제1유로(143a)의 길이(LIN)가 80%보다 짧으면, 유입공(141)으로 유입되는 기체가 분사공(142)까지 원활하게 도달하기 어렵다. 즉, 제1유로(143a)의 길이(LIN)가 짧아지면 제2유로(143b)의 길이(LOUT)가 상대적으로 길어지게 된다. 이 경우, 제2유로(143b)는 내경이 상대적으로 확장되도록 형성되기 때문에 기체는 제2유로(143b)에서 유속이 저감되어 분사공(142)으로 쉽게 분사되지 못한다. 반면, 제1유로(143a)의 길이(LIN)가 95%보다 길면, 제2유로(143b)의 길이(LOUT)가 짧아져서 제2유로(143b)의 내경을 점진적으로 확장되는 형태로 형성할 수 없다. 이에 분사공(142)의 외부에서 압력 변화를 저감시키는 효과를 구현하기 어렵고, 용강이 유로(143), 즉 분사부(140)의 내부로 침투하는 깊이를 저감시킬 수 없다. 또한, 제2유로(143b)의 길이(LOUT)가 짧아지면 압력 변화에 의해 용강이 제1유로(143a)까지 침투할 수 있기 때문에 제1유로(143a) 내에 개재물이 형성되고 및 성장되어 분사부(140)이 막히는 현상이 발생할 수 있다.
제2유로(143b)는 분사공(142)을 향해 경사지도록 형성되는 내면을 가질 수 있다. 이때, 제2유로(143b)의 내면은 제1유로(143a)의 내면을 제1유로(143a)가 연장되는 방향으로 연장한 직선과 0° 초과, 50° 이하, 또는 5°내지 45°정도의 경사각을 가지도록 형성될 수 있다. 또는, 제2유로(143b)의 내면은 제1유로(143a)의 내면을 제1유로(143a)가 연장되는 방향으로 연장한 직선과 10° 내지 40°, 또는 25°내지 35°정도의 경사각을 가지도록 형성될 수 있다. 이때, 제2유로(143b)의 내면이 가지는 경사각이 0° 또는 0° 이하이면, 제2유로(143b)의 내경을 확장되는 형태로 형성할 수 없다. 반면, 제2유로(143b)의 내면이 가지는 경사각이 50°를 초과하면, 분사공(142)의 직경이 지나치게 커지게 되므로, 용강이 분사공(142)으로 쉽게 유입되어 유로(143), 예컨대 제1유로(143a)까지 침투하는 문제가 있다. 이에 제1유로(143a)에 개재물이 형성 및 성장되어 분사부(140)이 쉽게 막히는 문제가 있다.
여기에서는 제2유로(143b)의 내면이 경사각을 가지는 것으로 설명하였으나, 제2유로(143b)의 내면은 곡면을 갖도록 형성될 수도 있다. 이 경우, 곡면은 유로(143)가 연장되는 방향, 즉 분사공(142) 쪽으로 변화하는 곡률을 가질 수 있다. 이외에도 제2유로(143b)의 내면 형상은 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다.
이하에서는 종래기술에 따른 스토퍼의 작동과, 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼의 작동을 비교하여 설명한다.
도 5는 종래기술에 따른 스토퍼의 분사부에서 가스가 분사되는 과정을 개념적으로 보여주는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼의 분사부에서 가스가 분사되는 과정을 개념적으로 보여주는 도면이다.
먼저, 도 5를 참조하여 종래기술에 따른 스토퍼의 작동에 대해서 설명한다.
종래기술에 따른 스토퍼의 헤드부(310)는 유입공(321)과 분사공(322)이 동일한 크기를 가지며, 유입공(321)과 분사공(322)을 연결하는 유로(323)는 유로(321)가 연장 방향으로 동일한 내경을 가진다. 이러한 내공부(미도시)로 공급되는 아르곤 가스는 다음과 같은 방식으로 용강에 공급된다.
도 5의 (a)를 참조하면, 내공부로 공급되는 아르곤 가스가 유입공(321)으로 유입된 후 유로(323)를 따라 이동하여 분사공(322) 쪽으로 이동할 수 있다. 이때, 내공부로 공급되는 아르곤 가스는 헤드부(310)에 마련된 복수 개, 예컨대 6개의 분사부으로 분기되어 분사공(322)으로 이동한다.
도 5의 (b)를 참조하면, 분사공(322) 쪽으로 이동된 아르곤 가스가 분사공(322)의 외부에 기포를 형성하고, 성장된다. 이때, 기포는 턴디시에 수용된 용강의 철정압과 용강 내에서 생성되는 기포의 표면 장력에 의해 일정한 형상을 갖도록 형성되고, 성장된다. 이러한 기포의 성장은 분사공(322)을 기준으로 외부에서 분사공(322) 또는 분사부 안쪽으로 용강이 침투하는 침투압보다 분사부으로 공급되는 아르곤 가스의 압력이 더 클 때 일어난다. 이때, 용강의 침투압은 턴디시에 담겨있는 용강의 철정압과 용강 내에 생성되는 기포의 표면장력으로 구성된다.
도 5의 (c)를 참조하면, 분사공(322)의 외부에 생성되는 기포는 지속적으로 공급되는 아르곤 가스에 의해 성장하여 분사공(322)의 외부에서 대략 구형으로 만들어진다. 이렇게 성장한 기포는 분사공(322)의 외부에서 유동되는 용강의 전단력에 의해 터지면서 분사공(322)으로부터 탈락되고, 스토퍼와 노즐의 내면 사이에 미세한 기포를 발생시킨다.
분사공(322)의 외부에서 기포가 터지면서 탈락되면, 분사공(322)의 외부에서 기체가 손실되어 분사부의 내부, 즉 유로(323)의 내부 압력이 순간적으로 낮아지는 현상이 발생한다. 그리고 유로(323)의 내부 압력이 낮아지면서 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이 스토퍼의 외부에서 유동되는 용강이 유로(323)의 내부로, 즉 분사부 내부로 침투하는 현상이 발생한다.
이러한 일련의 과정은 주조가 수행되는 동안 지속적으로 반복되고, 분사부의 유로(323)가 용강에 의해 젖어들게 된다. 그리고 용강에 함유되는 금속 물질이 산화되며 개재물을 생성하고, 생성된 개재물은 유로(323)의 내면에 부착되어 성장하게 된다. 이때, 개재물은 분사부의 내부에서 스토퍼(100)의 내화물과 용강 및 아르곤 가스가 만나는 3상 계면(I1)에 주로 생성되어, 분사부의 막힘을 유발하게 된다.
다음은 도 6을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼의 작동에 대해서 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼는 유입공(141)보다 분사공(142)이 더 큰 직경을 가지며, 분사공(142) 쪽이 확장된 형태의 유로(143)를 가진다. 이러한 내공부(130)로 공급되는 아르곤 가스는 다음과 같은 방식으로 용강에 최종 공급된다.
도 6의 (a)를 참조하면, 내공부(130)로 공급되는 아르곤 가스가 유입공(141)으로 유입된 후 유로(143)를 따라 이동하여 분사공(142) 쪽으로 이동한다. 이때, 내공부(130)로 공급되는 아르곤 가스는 헤드부(120)에 마련된 복수 개, 예컨대 6개의 분사부(140)으로 분기되어 분사공(142)으로 이동한다.
도 6의 (b)를 참조하면, 분사공(142) 쪽으로 이동된 아르곤 가스가 분사공(142)의 외부에 기포를 형성하고, 기포가 분사공(142)의 외부에서 유동되는 용강의 전단력에 의해 분사공(142)으로부터 탈락되어 스토퍼(100)와 노즐(30)의 내면 사이에 미세한 기포를 발생시킨다. 기포는 곡률이 변화하면서 성장하다가 용강의 전단력에 의해 분사공(142)에서 탈락된다. 이때, 종래와 달리 분사부(140)는 분사공(142)쪽으로 확장되는 형태로 형성되기 때문에, 분사공(142)에 형성되는 기포의 곡률은 종래에 비해 상대적으로 감소하고, 용강과의 접촉 면적이 증가하게 된다. 이에 기포가 크게 성장하기 이전에 용강과의 접촉에 의해, 예컨대 용강의 전단력에 의해 분사공(142)으로부터 탈락되고, 더욱 미세한 기포를 형성할 수 있다.
도 6의 (c)를 참조하면, 분사공(142)에서 기포가 탈락되면, 분사부(140) 외부에서 기체가 손실되어 분사부(140)의 내부 압력이 순간적으로 낮아지는 현상이 발생하여 용강이 분사공(142)의 내부로 침투하는 현상이 발생한다. 이때, 기포가 크게 성장하기 이전에 분사공(142)으로부터 탈락하기 때문에, 기포가 크게 성장한 후 탈락되는 종래기술에 비해 분사부(140)의 내부 압력이 감소량이 저감될 수 있다. 이에 용강이 분사부(140) 내부로 침투하는 깊이 또는 거리를 저감시킬 수 있다. 또한, 분사공(142) 쪽에서 유로(143)가 확장되는 형상으로 형성되기 때문에 종래기술에 따른 분사부(140)에 비해 분사공(142) 쪽에서 유로(143) 내부의 부피가 증가하고, 기포는 구형까지 성장하기 이전에 분사공(142)으로부터 탈락되기 때문에 용강이 침투하는 깊이를 단축시킬 수 있다.
이러한 일련의 과정은 주조가 수행되는 동안 지속적으로 반복되고, 분사부(140) 내부에서 용강 내 금속 물질이 산화되며 개재물이 생성 및 성장하게 된다. 분사부(140)의 내부에서 스토퍼(100)의 내화물과 용강 및 아르곤 가스가 만나는 3상 계면(I2)은 유로(143)가 확장된 영역, 예컨대 제2유로(143b)에 형성되기 때문에 상대적으로 내경이 작은 제1유로(142a)까지 용강이 침투할 우려가 거의 없다. 이에 개재물이 주로 제2유로(143b)에서 성장되기 때문에 분사부(140)의 유로(143)가 막히는데 소요되는 시간을 지연시킬 수 있고, 주조 중 분사부(140)의 유로(143)가 막히는 현상이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
하기에서는, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼의 성능을 검증하는 실험 예에 대해서 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼의 성능을 검증하기 위한 실험 결과를 보여주는 사진이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 스토퍼의 성능을 검증하기 위한 실험에서 획득된 심봉 및 심봉의 성분 분석 결과를 보여주는 도면이다. 여기에서 심봉은 분사부의 유로에 주입 또는 침투한 용강이 응고되어 생성되는 것을 의미한다. 즉, 내공부에 아르곤 가스의 주입을 중단시키면, 스토퍼의 내부, 예컨대 내공부 및 분사부의 내부 압력이 감소되고 분사공을 통해 용강이 분사부 내부로 유입된다. 그리고 스토퍼를 주조 설비에서 분리하여 냉각시키면, 분사부으로 유입된 용강이 냉각되어 심봉을 형성한다.
실험을 위해 헤드부의 내부에 분사부가 마련되도록 복수의 스토퍼들을 가공하였다. 스토퍼들은 동일한 조성을 가지는 내화물을 이용하여, 동일한 크기 및 형상을 갖고 각각 6개의 분사부를 갖도록 제작되었다. 이때, 스토퍼들의 분사부 각각은 하기의 표1에 기재된 경사각과 분사공의 직경을 갖도록 가공되었다. 이때, 실험 예1에서 사용된 스토퍼의 유입공과 분사공은 3㎜의 동일한 직경을 갖도록 가공되었다. 그리고 실험 예2 내지 5에서 사용된 스토퍼들의 유입공은 3㎜의 직경을 갖도록 가공되었고, 내경이 3㎜인 제1유로와, 제1유로의 내경보다 큰 내경을 가지는 제2유로를 갖도록 가공되었다. 이때, 실험 예2 내지 5에 사용된 스토퍼들은 제2유로의 내면과 제1유로의 내면을 연장한 선이 이루는 경사각이 10°, 20°, 30° 및 40°를 갖도록 가공되었다. 그리고 표 1에 기재된 분사공의 직경은 제1유로의 내경 및 제2유로의 경사각에 따라 계산된 수치이다.
조건 실험 예1 실험 예2 실험 예3 실험 예4 실험 예5
경사각(°) 0 10 20 30 40
분사공 직경(㎜) 3.0 4.7 6.3 8.0 9.7
이렇게 마련된 스토퍼들을 이용하여 주조를 실시하고, 주조 중 스토퍼의 내공부로 아르곤 가스를 공급하였다. 그리고 주조 중 내공부로 아르곤 가스를 공급하는 장치에서 아르곤 가스의 압력을 측정하였다. 이후, 주조가 완료된 다음, 주조 설비에서 스토퍼를 분리하고, 스토퍼의 외부 모습을 촬영하였다. 그리고 스토퍼를 절단하여 분사부에서 심봉을 분리하고, 분사부의 모습을 촬영하였다.
도 7의 (a)는 주조 설비에서 분리된 스토퍼의 외부 모습을 촬영한 사진이다. 도 7의 (a)를 참조하면, 실험 예1에 사용된 스토퍼의 경우, 헤드부의 표면에 하얀 색의 개재물이 다량 부착되고, 실험 예3에 사용된 스토퍼는 헤드부에 개재물이 거의 부착되지 않은 것을 확인할 수 있다. 이는 실험 예1의 경우, 주조 중 분사부 내부에 개재물이 부착된 것으로 보아, 주조 중 용강 중으로 아르곤 가스가 원활하게 분사되지 않은 것으로 판단할 수 있다. 즉, 실험 예1의 경우, 분사부에 개재물이 부착되어 분사부가 막히거나 분사부의 유로가 좁아져, 스토퍼의 헤드부와 노즐의 내면 사이에서 개재물을 원활하게 밀어내지 못한 것을 의미한다. 반면, 실험 예3의 경우, 스토퍼의 헤드부에 개재물이 거의 부착되지 않은 것은 분사부의 분사공을 통해 아르곤 가스가 원활하게 분사되어 스토퍼의 헤드부와 노즐의 내면 사이에서 개재물을 원활하게 밀어냄으로써 스토퍼의 헤드부에 개재물의 부착이 억제 혹은 방지된 것을 의미한다.
도 7의 (b)는 실험 예3에서 사용된 스토퍼를 절단하고, 분사부의 형상을 촬영한 사진이다. 도 7의 (b)를 참조하면, 제2유로(143b)의 분사공 쪽 모양이 일부 변형된 것이 확인되었으나, 제1유로(143a)와 제2유로(143b)가 거의 유지되고 있음을 알 수 있다. 이는 실험 예3에 사용된 스토퍼는 분사부 내부에 개재물이 거의 부착되지 않고, 막힘 현상이 발생하지 않은 것을 의미한다.
도 8의 (a)는 스토퍼의 분사부에서 분리된 심봉의 사진으로서, 심봉의 모습을 살펴보면 도 7의 (b)에 나타난 분사부과 거의 동일한 모습을 가진 것을 알 수 있다. 즉, 심봉은 제1유로에 위치하던 하부(Ⅰ)와, 제2유로에 위치하던 상부(Ⅱ)로 구성된다. 심봉의 하부(Ⅰ)와 상부(Ⅱ)는 제1유로 및 제2유로와 거의 유사한 모습을 가진다. 도 8의 (a)에서 심봉의 상부(Ⅱ)를 확대한 사진을 살펴보면, 심봉의 상부(Ⅱ)의 모습은 제2유로에 부착된 개재물에 의해 일부 변형되었으나, 제2유로 또는 분사부의 막힘 현상을 발생시킬 정도는 아니었다.
아래의 표 2는 심봉의 상단부에서 변형된 부분의 길이를 측정하여, 주조 중 분사부 내부로 용강의 침투 깊이를 측정하여 아래의 표2에 기재하였다. 또한, 주조 중 내공부에 아르곤 가스를 공급하는 장치에서 측정된 아르곤 가스의 압력을 이용하여 비이상 조업 분률을 산출하였다. 이때, 비이상 조업 분률은 한 개의 주편을 주조하는 동안 측정된 아르곤 가스의 압력 중 최고 압력과 최저 압력의 차이가 일정 범위를 초과하는 경우를 의미한다. 예컨대 한 개의 주편을 주조하는 동안 측정된 아르곤 가스의 압력에서 최고 압력과 최저 압력의 차이가 0.1bar를 초과하는 경우를 비정상 조업이라 하고, 한 개의 주편을 주조하는 시간에 대해서 비정상 조업이 이루어지는 시간의 비율을 비정상 조업 분률이라 한다. 이러한 비정상 조업 분률을 이용하여 분사부의 유로가 감소하거나 막힘 현상이 발생하였는지 여부를 판단할 수 있다. 예컨대 주편을 주조하는 동안 분사구에 아르곤 가스를 일정하게 주입하는 경우, 분사구에 개재물이 부착되지 않은 주조 초기의 아르곤 가스의 압력은 최저 압력일 수 있다. 그리고 주조 중 분사구에 개재물이 부착됨에 따라 분사부의 유로가 좁아지고, 분사구의 유로가 가장 좁아졌을 때 아르곤 가스의 압력은 최고 압력일 수 있다. 그리고 주편을 주조하는 동안 최저 압력과 최고 압력 차이가 0.1bar 이상인 시간을 측정하여 비정상 조업 분률을 산출할 수 있다.
실험 예1 실험 예2 실험 예3 실험 예4 실험 예5
용강 침투 깊이(㎜) 10.00 7.96 3.40 1.86 1.19
비이상 조업분률(%) 62.7 35.7 18.5 0 28.9
상기 표2를 참조하면, 실험 예1에서 사용된 스토퍼의 경우, 용강이 분사공으로부터 10㎜까지 침투한 것으로 측정되었다. 그리고 실험 예2 내지 5에 사용된 스토퍼의 경우, 실험 예1에서 사용된 스토퍼에 비해 용강의 침투 깊이가 저감된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 제2유로의 경사각이 증가할수록 용강의 침투 깊이가 저감되는 것을 알 수 있었다.
또한, 실험 예1의 경우 비이상 조업분률이 62.7%로 산출되었고, 실험 예2 내지 5의 비이상 조업분률은 실험 예1에 비해 현저하게 저감된 것을 확인할 수 있었다. 특히, 실험 예4의 경우, 비이상 조업분률이 0%으로 산출되어, 주조 중 분사부를 통해 아르곤 가스가 일정하게 분사됨을 확인할 수 있었다. 다만, 제2유로에 경사각이 있으면, 경사각이 없을 때보다 비이상 조업 분률이 저감되나, 실험 예5의 비이상 조업분률이 실험 예4의 비이상 조업분률보다 높게 산출되어, 경사각이 클수록 비이상 조업분률이 저감되는 것이 아님을 알 수 있었다. 이는 경사각이 증가할수록 분사부 내부로 용강의 침투 빈도가 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 분사공의 크기가 분사부의 유로가 좁아지거나 막힘 현상이 발생하면, 내공부에 아르곤 가스를 공급하는 장치에서 측정된 아르곤 가스의 압력이 설정된 압력보다 높아지게 된다. 이에 이와 같은 결과를 이용하여 주조 중 분사부의 유로가 좁아지거나 막힘 현상이 발생 여부를 확인할 수 있다.
도 8의 (b)는 심봉의 상부(Ⅱ) 쪽에 함유되는 성분을 측정한 결과를 보여주는 사진으로, 도 8의 (a)에 표시된 'X'영역을 나타낸다. 도 8의 (b)를 참조하면, 제2유로에 배치되는 심봉의 상부(Ⅱ)는 주로 철(Fe)으로 구성되었고, 철(Fe) 표면에서 플럭스를 구성하는 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg) 및 칼슘(Ca)이 미량 검출되었다. 이는 주조 완료 후 스토퍼를 주조 설비에서 분리하는 과정에서 스토퍼가 턴디시에 남아있는 플럭스에 접촉하였기 때문이다. 이처럼, 심봉의 상부(Ⅱ)에서 플럭스의 성분이 검출되었다는 것은, 심봉의 상부(Ⅱ)가 위치하던 제2유로에 용강이 거의 침투되지 않아 개재물이 거의 생성되지 않았다는 것을 의미한다.
실험 결과에 따르면, 스토퍼의 헤드부에 마련되는 분사부의 유로를 다원화하면, 즉 유로의 내경을 위치에 따라 변경하면 분사부 내부로 용강의 침투 깊이를 저감시켜 분사부의 유로가 막히는 현상을 억제할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 제2유로의 경사각을 20 내지 40°정도로 형성하면, 유로를 다원화하지 않은 경우에 비해 분사부으로 용강의 침투 깊이는 60% 이상, 비이상 조업분률은 약 50% 이상 저감시킬 수 있다. 따라서 주조 중 스토퍼의 헤드부와 노즐의 내면 사이에 기체를 원활하게 분사할 수 있으므로, 스토퍼의 헤드부나 노즐의 내면에 개재물이 부착되어 성장되는 것이 방지되어 주조를 안정적으로 수행할 수 있다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
100: 스토퍼 110: 바디부
120: 헤드부 130: 내공부
140: 분사부

Claims (11)

  1. 용융물을 배출하기 위한 배출구를 개폐시키며, 기체가 주입되는 내공부가 형성된 스토퍼로서,
    상하 방향으로 연장되는 바디부;
    상기 바디부의 하단에 연결되는 헤드부; 및
    상기 헤드부에 마련되고, 상기 내공부로 주입된 기체가 외부로 배출되는 쪽의 내경이 상기 내공부로부터 유입되는 쪽의 내경보다 크게 형성되는 분사부;를 포함하는 스토퍼.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분사부는 상기 내공부와 연통되도록 상기 헤드부의 내부에 형성되는 유입공과, 상기 헤드부의 외면에 형성되는 분사공 및 상기 유입공과 상기 분사공을 연결하는 유로를 포함하고,
    상기 분사공의 내경이 상기 유입공의 내경보다 크게 형성되는 스토퍼.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유로는,
    일단에 상기 유입공이 형성되고, 상기 헤드부의 외측 방향으로 연장되는 제1유로; 및
    일단은 상기 제1유로의 타단에 연결되고, 타단에 상기 분사공이 형성되는 제2유로;를 포함하고,
    상기 제1유로는 연장되는 방향으로 동일한 내경을 가지며,
    상기 제2유로는 상기 제1유로에서 상기 분사공이 있는 방향으로 갈수록 내경이 증가하도록 형성되는 스토퍼.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 분사공은 상기 유입공의 1배 초과 4배 이하의 직경을 갖도록 형성되는 스토퍼.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 유입공의 직경은 1 내지 3㎜이고, 상기 분사공의 직경은 3 내지 12㎜ 이하인 스토퍼.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1유로의 내경은 1 내지 3㎜이고, 상기 제2유로의 내경은 1 내지 12㎜ 이하인 스토퍼.
  7. 청구항 3 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2유로의 내면은 상기 제1유로의 내면을 상기 제1유로가 연장되는 방향으로 연장한 직선과 0° 초과, 50° 이하의 경사각을 가지도록 형성되는 스토퍼.
  8. 청구항 3 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2유로의 내면은 곡면을 포함하는 스토퍼.
  9. 청구항 3 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1유로의 길이는 상기 제2유로의 길이보다 길게 형성되는 스토퍼.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2유로의 길이는 상기 제1유로와 제2유로의 길이를 합한 전체 길이에 대해서 5 내지 20%인 스토퍼.
  11. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출구는 용융물이 수용되는 턴디시의 출강구에 설치되는 노즐에 의해 형성되고,
    상기 헤드부는 상기 배출구에 설치되는 노즐과 접촉 가능한 접촉대를 포함하며,
    상기 분사부는 상기 접촉대보다 상측에 배치되는 스토퍼.
KR1020210170089A 2021-12-01 2021-12-01 스토퍼 KR20230082296A (ko)

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