KR850000692B1 - 비결정질 금속 스트립의 주조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

비결정질 금속 스트립의 주조방법

제1도는 스트립을 연속 주조하는데 사용하는 전형적인 장치를 보인 측면도.

제2도는 본 발명 턴디쉬의 단면도.

제3도는 제2도에 도시된 턴디쉬의 정단면도.

제4도는 다른 형태의 턴디쉬를 보인 단면도.

제5도는 또 다른 턴디쉬를 보인 단면도.

제6도는 턴디쉬의 노즐부분 확대단면도.

제7도는 또 다른 턴디쉬의 단면도.

본 발명의 비결정 구조를 갖는 비교적 넓고 얇은 금속 스트립을 높은 급냉속도와 생산속도로 주조하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 스트립물질의 연속 주조중 노즐에 일정한 수두압력(水頭壓力)을 얻고 이를 유지하기 위한 방법에 관한 것이다.

종래의 압연방법과 비교할 때 주조방법에 의하여 얇은 금속 스트립을 제조하는 것이 유리하고 경제적이다. 비결정성 물질을 제조하기 위하여 스트립 주조가 고속급냉하에서 수행되는 것은 더욱 의미가 있다. 그러나 주조된 스트립이 사용 가능한 품질과 균등한 조직구성을 갖도록 하기 위하여 조절되어야 하는 스트립 주조 파라메타의 수가 많다. 이러한 이유 때문에 상업적으로 성공적인 스트립 주조방법의 개발에 있어서는 많은 문제성들이 있다.

시이트, 포일, 스트립 및 리본과 같은 얇은 금속재료 주조하는 일반적 개념은 일찌기 1900년대에 제시되었다. 예를 들면 미국특허 제905,758호와 제993,904호에는 용융물질을 움직이는 냉각표면상에 보내어져 이 표면상에서 얇은 스트립으로 인장되어 경화시키는 방법을 제시되었다. 이러한 문헌들은 용융금속을 도가니나 다른 용기로부터 액체 냉각형 회전동(銅) 드럼이나 원반의 평평한 원주면상에 흘려보내어 스트립을 주조하는 것을 기술하고 있다. 일찌기 많은 방법들이 기술되었음에도 불구하고 20세기 전반까지 성공적인 스트립 주조는 이룩되지 않고 있다.

최근 용융금속으로부터 금속 와이어나 스트립같은 연속 제품을 제조하는 방법이 미국특허 제3,522,836호와 제3,605,863호에 기술되었는데, 이러한 문헌들은 용융물질의 볼룩한 메니스커스(meniscus)가 노즐로부터 유출됨을 기술하였다. 수냉형 드럼과 같은 열흡수면이 출구외리피스에 평행하게 놓인 용융금속의 메니스커스와 접촉하는 통로내에서 가동하여 용융금속을 연속적으로 인출하여 균일한 연속제품을 주조한다. 이와 같은 방법은 일반적으로 "용융물인출방법"이라 하며 노즐 오리피스에서 용융금속의 메니스커스를 통과하여 이동하는 열흡수면이 노즐을 통하여 흐르는 용융금속의 속도에 영향을 준다.

보다 최근의 스트립 주조방법에 대한 개발은 금속 스트립 주조기술의 향상에 초점을 두고 있는데, 예를 들면 미국특허 제4,142,571호에는 금속 스트립 주조노즐의 슬로트에 대하여 제한된 수치조건을 갖는 특별한 구조가 기술되어 있다.

또한 미국특허 제4,077,462호에는 스트립 주조에 사용하는 냉각롤의 원주면상의 고정하우싱에 대한 특별한 구조가 기술되어 있다.

본 발명의 기술분야에 공지된 많은 급속냉각방법이 있는데 예를 들면, 가는 용융금속의 흐름을 자유운동케하거나 냉각블럭에 대하여 냉각되게 하므로서 금속 필라멘트를 생산하는 용융금속 방사방법이 실시되어 왔다. 또한 미국특허 제3,838,185호에 기술된 용융물 인출방법과 미국특허 제3,896,203호에 기술된 수직강하 용융금속 인출방법과 같은 용융금속 인출방법이 공지된 바 있다. 그러나 이러한 급속 주조방법으로는 균일한 시이트나 스트립을 주조하는 것은 곤란하다는 것이 발견되었다. 신속 주조 스트립불질의 제품 두께와 질에 영향을 주는 요인에는 주조 온도, 턴디쉬와 노즐의 설계, 용융금속의 흐름 형태, 금속 난류, 용융금속의 압력, 보조 표면냉각, 표면 코팅 등이 있다.

스트립 주조에 대한 오랜 역사 및 최근의 개발에도 불구하고 현재까지 스트립 주조에 널리 이용될 수 있는 방법은 발견되지 않았다. 따라서 이러한 기술분야에 여러 가지 개량, 변화 및 혁신이 요구되고 있는데, 예를 들면 주조 스트립의 성공적인 제조에 요구되는 균일성과 지속성이 유지되기 위하여 용융금속 턴디쉬의 구조, 노즐 오리피스의 크기, 주조면으로부터의 간격, 주조면의 이동속도, 급냉속도, 금속 공급속도 등과 같은 변수간의 적당한 관계가 결정되어야 한다.

본 발명은 특히 용융금속 턴디쉬의 노즐을 통과하여 지나는 주조면상에 스트립을 연속 주조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 스트립 주조에 사용할 수 있는 어떤 특별한 노즐에 관한 것이라기 보다는 턴디쉬의 일부분에 위치한 노즐을 통한 이러한 용융금속의 공급전 용융금속의 유지방법에 관한 것이라 할 수 있다.

미국특허 제4,077,462호에 기술된 바와 같은 종래의 턴디쉬나 도가니는 일반적으로 균일한 단면구조를 가지며 원통형이나 직사각형구조로 되었다. 또한 미국특허 제993,904호에서와 같은 오우버플로우형 도가니도 스트립 주조에 사용할 수 있다.

종래 기술의 용기내에 용입된 용융금속은 미국특허 제4,142,571호에서 지적한 바와 같이 외부 가압장치로 가압시켜 노즐을 통하여 용융금속이 유출되게 하였다. 종래의 도가니는 노즐을 통하여 용융금속을 유출시키는데 필요한 수두압력을 제공하기 위하여 적당한 높이까지 용융금속을 채우는 데는 상당한 시간을 요한다. 또한 용융금속의 흐름 형태는 특히 스트립 주조의 초기공정에 있어서 문제점을 야기시킨다. 미국특허 제3,576,207호에 도시된 바와 같은 원추형 턴디쉬라 할지라도 종래의 도가니내 용융금속의 높이를 조절하므로서 수두압력을 일정하게 유지하는 것은 대단히 곤란하다.

따라서 종래의 단점을 제거하고 스트립 주조에서 균일성과 지속성에 기여하는 노즐압력을 신속하게 얻고 이를 적당히 유지하기 위한 새로운 방법과 턴디쉬의 저부에 위치한 노즐을 통하여 스트립으로 주조하고자하는 용융금속을 유지하기 위한 새로운 턴디쉬가 요구되고 있다.

본 발명은 용융금속 턴디쉬의 노즐을 통과하여 이동하는 주조면에 대하여 스트립을 연속 주조하기 위한 방법을 제공하는바, 이 방법은 주입시각 후 1초 이내에 노즐에서 적어도 1/4psi의 수두압력을 얻기에 충분한 속도로 용융금속을 턴디쉬에 주입하고, 전 주조과정을 통하여 일정한 주조압력이 유지되기에 충분한 양의 부가적인 용융금속을 턴디쉬내에 주입하는 단계로 구성된다.

본 발명의 특징은 스트립 주조에 사용되는 턴디쉬의 일부분에 위치한 노즐에 비교적 일정한 용융금속의 수두압력이 유지되도록 하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 스트립 주조에 사용한 턴디쉬내에 유지된 용융금속에 외부압력을 가하기 위한 가압장치의 필요성을 제거하는데 있다.

본 발명의 다른 특징은 과잉의 용융금속난류가 발생됨이 없이 스트립 주조 턴디쉬의 노즐에 용융금속의 수두압력이 신속히 이루어져 스트립 주조의 시작 후 스트립 주조과정을 신속하게 안정화시키므로서 폐품처리될 스트립이 주조되지 않도록 하는 데 있다.

본 발명을 첨부 도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 비결정구조를 갖는 금속 스트립(10)을 주조하기위한 장치를 보인 것이다. 이 장치는 스트립(10)이 주조되는 주조부재(12)를 포함하다. 구체화된 실시예에서 스트립은 제1도에 도시된 바와 같이 환상의 드럼이나 휠(wheel)의 평활한 주조면(14)상에 주조된다. 그러나 환상의 구조 이외의 것이 사용될 수 있는바, 예를 들면 평활한 재두 원추형 주면을 갖는 휠이 사용될 수 있고, 만곡형 통로를 통하여 회전하는 벨트가 주조부재로서 사용될 수 있다.

구체화된 실시예에서 이 주조부재(12)는 수냉형의 구리로 된 휠을 포함하는바, 이는 구리가 열전도성 때문에 선택되나 동합금, 강철, 놋쇠, 알루미늄이나 기타 금속들이 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 물 이외의 매체를 사용하여 냉각이 이루어질 수 있으나 가격이 저렴하고 이용이 용이한 물이 전형적으로 선택된다.

제1도에 도시된 주조장치에 있어서, 휠의 형태인 회전하는 주조부재(12)의 주조면(14)은 초기 주조점(16)에서 용융금속과의 접촉에서 발생되는 열을 흡수할 수 있어야 하며, 이러한 열은 구리로 된 휠의 회전중 휠로 전도된다. 초기 주조점(16)은 턴디쉬(22)로부터 나온 용융금속(20)이 처음 주조면(14)과 접촉하는 위치를 말한다. 열전도에 의한 냉각은 주조부재(12)의 원주 근처에 위치한 내부 통로를 통하여 다량의 물을 공급하므로서 이루어질 수 있다. 냉각매체는 주조면의 밑으로 직접 공급시킬 수도 있고 스트립 주조중 원하는 냉각속도를 가속 또는 감속하기 위한 냉각방법이 사용될 수도 있다.

드럼, 휠 또는 밸트가 주조에 사용되는 경우 스트립 주조에서 제품 표면을 최대한 균일하게 하기 위하여 주조면(14)은 평활하고 대칭어어야 한다. 예를 들면 어떤 스트립 주조과정에서 주조면(14)과, 용융금속이 턴디쉬로부터 주조면(14)으로 공급되는 노즐의 오리피스가 형성된 표면간의 거리는 요구된 간격이 유지되어야 한다. 이 거리를 주조간극이라 한다. 균일한 치수의 스트립을 주조할 때 상기 간극은 전 주조과정을 통하여 일정하게 유지되어야 한다.

도시된 장치에는 주조되는 용융금속(20)은 노즐(24)을 갖는 턴디쉬(22)에 주입되어 보유된다. 노즐은 전형적으로 턴디쉬(22)의 저부에 위치하나 측변과 같은 다른 위치에도 배치시킬 수 있다.

스트립으로 주조하고자 하는 용융금속(20)을 보유한 턴디쉬(22)는 제1도와 제2도에서 화살표로 표시된 스트립 주조방향에 대하여 전면벽(26)과 배면벽(28)을 포함하며, 전면벽(26)과 배면벽(28)에는 턴디쉬(22)의 용융금속 보유영역에 대하여 내부면(29)(30)이 구비되어 있다.

전면벽(26)과 배면벽(28)의 내부면(29)(30) 사이에 형성된 용융금속(20)의 보유영역은 측벽(32)(34)으로 둘러싸여 있다. 구체화된 실시예에서는 턴디쉬(22)의 전면벽(26)과 배면벽(28) 분리된 부분으로 구성되고, 2개의 직사각형 측벽(32)(34) 사이에 샌드위치형으로 개재되어 있다. 금속판(36)(38)이 적어도 측벽(32)(34)의 외표면(40)(42)의 일부에 중첩되어 있다. 볼트(44)가 금속판(36)(38)을 통하여, 그리고 측벽(32)(34)의 일부, 전면벽(26), 배면벽(28)을 통하여 삽입되어 턴디쉬(22)를 조립할 수 있게 되었다. 턴디쉬(22)의 전면벽(26), 배면벽(28)과 측벽(32)(34)는 단일장치로서 일체로 구성될 수 있다.

턴디쉬 전면벽(26)의 내부면(29)은 턴디쉬(22)의 저부에 위치한 노즐(22)의 방향으로 턴디쉬(22)의 상부로부터 배면벽(28)의 내부면(30)과 함께 점차로 수렴되었다. 전면벽(26)과 배면벽(28)의 내부면(29)(30)의 점진적인 수렴은 턴디쉬(22)의 노즐(24) 방향으로 향한다.

본 발명에 따라서 용융금속을 턴디쉬내에 주입 직후 1초내에 노즐(24)에서 적어도 1/4psi의 용융금속 수두압력을 얻어야 하는데, 이러한 수치적 제한의 중요선은 턴디쉬(22)내 용융금속(20)에 외부압력을 가하지 않고 스트립을 주조할 수 있도록 하는 데 있다. 본 발명의 방법은 수두압력 1/4psi 이상, 특히 1/2psi 이상을 비교적 신속하게 얻을 수 있는데, 이러한 압력을 신속하게 얻음은 주조조작의 시작 직후 스트립 주조을 안정화시킬 수 있는 잇점을 준다. 조작을 신속하게 안정화시키므로서 폐기주조물의 양 또는 스트립 주조장치의 손상을 최저로하거나 제거할 수 있다.

전면벽(26)과 배면벽(28)의 내부면(29)(30)은 노즐(24)의 방향으로 점차 수렴되었다. 본 발명 기술분야에 숙련된 자이면 노즐(24)상의 수두압력을 측정하므로서 용융금속 주입 속도에 대하여 내부면(29)(30)의 수렴정도가 적당한 것인지를 용이하게 결정할 수 있을 것이다. 주입시작 후 1초 내에 고정 수두압력이 적어도 1/4psi이면 수렴의 정도는 적당하고 그렇지 않으면 부적당하다. 내부면(29)(30)은 주입시작 후 1초 내에 적어도 2psi의 수두압력을 얻도록 출분하게 수렴시키는 것이 바람직하다.

내부면(28)(30)의 점진적 수렴은 또한 금속을 노즐(24)의 방향으로 흐르도록 함에 의하여 턴디쉬(22)를 채울 때 용융금속의 난류현상이 일어나는 것을 최저로 하는 장점을 갖는다. 더우기 내부면(29)(30)간의 측간거리는 노즐(24)의 방향으로 점차 감소하므로 용융금속이 노즐(24) 근처로 신속히 채워져 턴디쉬(22)를 채울 때 노즐(24)내에서 용융금속의 난류를 최저로 할 수 있다. 이러한 구조에 의하여 노즐로부터 떨어진 위치에서 턴디쉬의 대향한 내부면 사이의 측간거리는 충분한 폭이 되도록 하여 턴디쉬내 용융금속의 용량이 변화하므로서 노즐에서의 수두압력변동을 최저로 할 수 있다.

턴디쉬(22)는 열전도성이 우수한 재질로서 제작되어야 하는데 만일 열전도성이 불충분하여 용융금속을 비교적 일정한 온도로 유지할 수 없다면 유도코일(46)이나 저항소자같은 보조 가열기를 턴디쉬(22)내에 장설하여야 한다.

턴디쉬용 재료로는 섬유화된 카오린, 천연의 고순도 알루미나-시리콘 내화점토로 제작된 절연판이며, 이러한 절연물질은 카오올 HS(상표명) 보드로서 시판되고 있다. 그러나 흑연, 알루미나-흑연, 석영, 점토-흑연, 질화보론, 탄화시리콘, 질화시리콘, 탄화보론, 알루미나, 지르코니아, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 여러 가지 다른 물질들의 턴디쉬와 노즐의 제작에 사용할 수 있다. 또한 이러한 물질은 보강되어야 하는데, 예를 들면 섬유화된 카오린은 시리카 겔로 함침시켜 보강할 수 있다.

노즐(24)의 오리피스는 열려 있고 이러한 구조는 스트립 주조조작을 통하여 안정하게 유지되어야 한다. 스트립 주조중 오리피스가 부식되거나 막혀서는 안되며 주조과정에서 균일성이 유지되고 턴디쉬(22)내에서 금속난류를 최저로 하는 일차적 목적을 방해해서는 안된다. 어떤 절연물질들은 장시간 주조기간 중 이들의 구조적 안정성을 유지할 수 없는데 이러한 문제를 해결하기 위하여 제6도의 실시예에 도시된 바와 같이 리프(lip)(50)(52)를 작성하여 노즐(24)의 오리피스를 만든다. 이러한 피프(50)(52)는 장기간 고온의 용융금속에 노출되어도 구조적 안정성이 유지될 수 있는 물질로 되어 있다. 이러한 물질은 턴디쉬내에 삽입된 형태를 취하며, 석영, 흑연, 질화보론, 알루미나-흑연, 탄화시리콘, 안정화된 지르코니아시리케이트, 지르코니아, 마그네시아, 알루미나, 또는 용융금속에 대한 내성을 갖는 물질로 만들어진다. 제7도에서 설명된 적당한 실시예에서 용융금속에 대한 내성물질로 제작된 삽입체(60)가 턴디쉬(22)상에 배치되어 노즐(24)의 오리피스를 형성한다.

본 발명에 있어서, 조작의 시작 후 가능한 한 빨리 주조 파라메터를 안정화시키는 것이 좋다. 파라메터가 빨리 조절되면 될수록 페품스트립이나 불균일한 스트립제품이 보다 적게 주조된다. 고속 스트립 주조속도를 고려할 때 조작의 신속한 안정화는 보다 유익함이 명백하다. 이러한 견지에서 용융금속을 턴디쉬에 주입하기 전에 턴디쉬(22), 특히 노즐(24)의 부위를 예열시키는 것이 바람직하다. 이러한 노즐의 예열은 턴디쉬(22)의 내부면(29)(30)을 스트립으로 주조하고자 하는 금속의 용융온도 이상의 온도까지 가열하는 것을 포함한다. 이러한 가열은 유도코일(46) 또는 산소-연료나 산소-천연가스 버너와 같은 가스버너의 팁을 턴디쉬에 삽입시키든가 또는 버너를 주조중 던디쉬의 노즐쪽으로 향하게 하여 이룩할 수 있다. 이러한 가열은 주조시작시 금속의 응고 및 폐색 가능성을 최저로 하며 응고나 폐색에 의하여 유발되는 턴디쉬, 노즐 및 오리피스 크기의 불균일성을 최저로 한다.

상술한 예비단계를 준비한 후 용융금속을 턴디쉬에 공급한다. 유도코일(46)과 같은 가열기가 턴디쉬 또는 노즐내에 착설되어 원하는 용융금속 온도를 유지시킨다. 또한 용융금속은 직접 예열된 턴디쉬에 주입할 수 도 있다. 예열온도는 초기 주조중 응고나 폐색을 방지하고 흐르는 금속이 충분한 온도로 유지되어 오리피스를 통하여 막히지 않고 흐르도록 한다. 턴디쉬에 주입되는 금속은 금속의 흐름에 악영향을 주지 않는 한 어느 정도의 온도 손실이 허용될 수 있도록 과열될 수 있다. 턴디쉬에 공급된 용융금속은 주조중 급냉속도와 스트립의 질이 균일하게 유지되도록 균일한 온도로 유지된다.

턴디쉬(22)내 노즐상의 수두압력은 적어도 1psi/초 특시 2psi/초의 압력변화의 평균속도로 신속하게 얻을 수 있어야 한다. 이 수두압력은 주조시작 후 비교적 일정한 크기로 유지되어야 하는데, 이는 초기에 용융금속을 텐디쉬에 원하는 높이까지 상술한 속도로 주입한 후 요구된 수두압력을 유지하도록 턴디쉬에 주입되는 부가적인 용융금속의 양을 조절하여 이루어질 수 있다. 요구된 수두 높이는 턴디쉬내 원하는 높이에서 비교적 넓은 범위를 갖도록 하여 용융금속물의 용량변화는 수두높이와 노즐에서 해당 수두압력에 작은 영향을 주도록 조절될 수 있다. 작동 레벨에서는 턴디쉬의 폭은 10% 정도의 용융금속의 용량변화가 노즐에서 수두압력에 1% 이하의 영향을 미치도록 한다. 턴디쉬에 공급되는 부가적인 용융금속의 주입속도는 금속물이 노즐 오리피스로부터 흘러나와 스트립을 형성하는 속도와 일치하여야 한다. 턴디쉬에서 용융금속을 비교적 일정한 높이로 유지하는 것은 노즐에서 수두압력을 비교적 일정하게 유지시켜 주조과정, 또는 주조된 스트립의 질에 악영향을 주지 않도록 하여야 한다.

가르넥스(Garnex)란 상표로 시판되는 물질로 제작된 제2도에 도시된 것과 유사한 턴디쉬(22)를 사용하여 규격 304의 스텐레스 스틸상에서 주조가 이루어졌다. 이 때 턴디쉬의 하측에 있는 오리피스는 길이가 1.3인치이고, 폭이 0.08인칭이며, 구멍과 드럼간의 간극은 0.02-0.04인치였다. 수냉형 동드럼의 회전속도는 930피트/분이고, 용융금속은 광고온계로 측정하였을 때 2,900.F의 온도에서 턴디쉬(22)에 주입되었다. 용융금속은 8인치의 수두 높이가 되도록 주입되어 2psi의 노즐 압력을 얻었으며 원하는 수두 높이는 주입시작 후 1초 이내에 얻을 수 있었다. 주조된 스트립은 우수한 질을 나타내며, 스트립의 두께는 0.006-0.008인치로서 인성과 전성이 있다.

Claims (1)

1. 용융금속을 보유하는 턴디쉬의 노즐을 지나 이동하는 주조면에 대하여 스트립을 연속 주조하는 방법에 있어서, 주입 직후 1초 내에 노즐에서 적어도 1/4psi의 수두압력이 나타나도록 턴디쉬에 용융금속을 주입하고, 전 주조과정을 통하여 노즐에 일정한 주조압력이 유지될 수 있는 속도로 용융금속을 부가적으로 턴디쉬에 주입함을 특징으로 하는 비결정질 스트립의 주조방법.

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