KR940000491B1 - 용융금속의 비금속 함유물 제거방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

용융금속의 비금속 함유물 제거방법 및 장치

제1도는 용기내 용융금속의 평균체류 시간에 60초인 경우에 컴퓨터 시뮬레이션 (simulation)에 의해 얻어진 용기내 용융금속의 유선(stream lines)을 도시한 개략도.

제2도는 용기내 용융금속의 평균체류 시간이 30초인 경우에, 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 얻어진 용기내 용융금속의 유선을 도시한 개략도.

제3도는 제1도와 같은 조건하에서 용융금속의 유동 해석에 의해 얻어진 직경 30㎛인 함유물 입자의 운동궤적을 도시한 선도.

제4도는 제2도와 같은 조건하에서 용융금속의 유동해석에 의해 얻어진 직경 30㎛인 함유물 입자의 운동궤적을 도시한 선도.

제5도는 유동해석에 의해 얻어진 함유물의 유출율에 대한 턴디시(tundish)내 용융금속의 평균 체류시간의 영향을 나타낸 그래프.

제6도는 함유물에 의해 야기된 결함 발생비율에 대한 턴디시내 용융금속의 평균체류 시간의 영향을 나타낸 그래프.

제7도는 본 발명에 따른 장치의 개략도.

제8도는 용기내 용융금속의 회전이 중지되어 용융슬래그가 넘쳐 흐르게 되는 상태에 있는 본 발명장치의 측면도.

제9(a)도 내지 제9(c)도는 다수의 샘플링 위치로부터 비금속 함유물의 입자 크기별 추출량을 나타낸 그래프.

제10도는 본 발명에 따라 생산된 제품의 결함율을 종래의 기술과 비교하여 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 래이들(ladle) 2 : 제1용기

3 : 회전 자기장 발생장치 4 : 제2용기

5 : 유도가열장치 6,8.10 : 노즐

7,9 : 밸브 11 : 용융금속

12 : 유동장(field of flow) 13 : 슬래그

본 발명은 용융금속중의 비금속 함유물 및 금속간 화합물을 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래의 기술에서 용융금속중의 비금속 함유물 및 금속간 함유물(이하 ″함유물″이라 칭함)이 금속제품의 결함을 야기시키고 조업을 저해하게 된다는 것이 공지되었으며, 그러한 함유물의 효과적인 제거기술이 연구제안되어 왔다.

예를들면 레이들과 주형사이에 위치된 용기내로 용융금속을 유동시킴으로써 함유물을 제거하는 것이 제안되었는데, 그러나 이방법에는 높은 유동속도로 용기로 부터 나오는 용융금속의 흐름(″쇼트-서키트″ 또는 ″쇼트-패스″라 칭함)에 함유물이 혼합되며 용융금속과 함께 유출되는 문제점이 있었다.

이 문제점을 극복하기 위하여 용기를 대형화하고 상기 쇼트-서키트를 방지하는데 효과적이어서 이 함유물의 바람직스럽지 못한 유출을 피하게 하는 다단으로 된 장벽을 설치하게 되는 것이 제안 되었으나, 이 장벽의 설치는 상기 문제에 대한 적당한 해결책을 제공하지 못하였으며, 사용되어야할 내화물의 증가 및 높은 시공비로 인하여 더 많은 코스트를 수반하게 되었다.

이 관련분야에서 용융금속의 수평회전 흐름이 원심분리 효과에 의해 불순물을 중앙지역으로 집중시켜서 함유물을 분리하는 방법이 일본특허 공개 제55-107743호 및 제58-22316호에 기술되어 있다.

그러나 이 방법을 이용한다 할지라도 후술되는 바와같이 틴디시내에서의 용융금속의 평균 체류시간이 40초 이하일 경우에는 함유물의 유츨을 방지하기는 곤란하다.

또한 원심분리와 같은 기계적 분리방법은 단지 비교적 입자가 큰 불순물을 분리하는데만 효과적이지 입자가 작은 불순물을 분리하는 데는 효과적이지 못하다.

한편 일본 특허 공개 제 61-103654호에는 용융금속을 가열함으로써 함유물의 생성 및 입자가 작은 불순물의 제거가 가능하게 되는 방법이 기술되어 있다.

그렇지만 이 방법은 큰 입자의 함유물, 특히 다음 레이들에서 용기로 용융금속의 주입이 시작되는 시기까지 정지 상태에 있는 용기내의 용융금속의 탕면저하로 인한 슬래그의 혼입을 방지하는데 별로 효과가 없다.

따라서 본 발명의 목적은 작은 입자에서 큰 입자까지의 비금속 합유물 및 금속간 화합물을 효과적으로 제거하면서 반면에 함유물의 양을 감소시켜서 고품질의 후판을 얻고 중간 레이들의 크기를 감소시킴으로써 생산량을 증진시키고 그렇게 함으로써 종래기술의 전술된 문제들을 극복하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

이 목적으로 본 발명에 따르면 레이들과 주형 사이에 위치된 용기내로 용융금속을 유동시킴으로써 용융금속으로부터 비금속 함유물을 제거하는 방법이 제공되는데 이 방법은 용기내의 용융금속을 수평회전시키는 동안 용융금속을 평균 40초 이상 용기내에 체류시키는 것을 구성으로 한다.

본 발명의 용융금속의 비금속함유물 제거방법은 바람직하게는 이동자계 발생장치에 의하여 상기 제1용기의 외주 또는 저면에서 이동자계를 작용시켜서, 상기 제1용기에 주입된 용융금속을 수평회전시키면서 평균 40초 이상 체류시키는 것과, 상기 용융금속을 상기 제1용기로부터 상기 제2용기로 보내는 것과, 상기 제2용기에 있는 용융금속을 가열하기 위해 용기의 외주 또는 저면 또는 용융금속이 통과하는 채널로 부터 용융금속에 저수파 또는 고주파의 전자유도를 작용시키거나 용융금속의 상면에서 프라즈마 가열하는 것에 의해 용융금속을 가열하는 것으로 구성되어 있다.

본 발명의 또다른 측면은 용기 바닥에 유출구를 가지며, 외부에 전기적 또는 기계적 자계를 이동시키는 회동 자기장 발생장치를 설치하여 용융금속을 원심분리하는 제1용기와, 상기 제1용기로 부터 유출되는 용융금속을 수용하며 수용된 용융금속에 저주파 또는 고주파를 잔자유도시키는 용융금속 가열장치 또는 프라즈마 발생장치를 가지는 용융금속 가열 장치를 구비한 제2용기로 구성된 것을 특징으로 하는 용융금속의 비금속 함유물 제거장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 구체적 구성 및 작용이 제1도를 참조로 하여 하기에서 기술된다.

본 발명자는 컴퓨터를 사용하여 용융금속의 유동해석 시뮬레이션을 수행한 결과 용기(2)내의 용융금속을 자기장에 의해 수평 회전흐름으로 만듦으로써 용기내의 용융금속의 표면이 포물면 형상으로 되어 유입구에서 용기로 유입되는 용융금속의 메인 스트림이 즉시 용기의 상부 끝단벽에 도달되는 것을 발견하였다.

슬래그가 혼입된 용융금속이 유입구를 통하여 용기(2)로 유입될때, 용융금속은 표면지역의 둘레부분으로 확산되며 슬래그는 용융금속의 표면에서 분리되어 집중된다.

이 효과는 용융금속중에 슬래그가 다량으로 함유될때 특히 현저하다.

일단 슬래그가 용융금속의 흐름에 혼입되었을 경우에는 용융금속으로부터 슬래그가 분리되기가 곤란하므로, 이 슬래그가 최종 생산품의 일부분이 되어서 품질이 저하되게 된다.

본 발명자는 효과적인 슬래그의 분리를 위한 임계조건을 발견하기 위하여 컴퓨터를 사용한 용융금속 흐름의 유동해석을 수행하여서, 용기내 용융금속의 평균 체류시간((용기 용량))/(1초당 용기로의 용융금속 유입량))이 40초 이상일때 효과적인 슬래그의 분리가 얻어진다는 것을 발견하였다.

이 임계 조건이 하기에서 제3도 내지 제6도를 참조로 하여 기술된다. 함유물 입자의 운동궤적은 용융금속 흐름의 유동해석에 의해서 결정되며, 용기내로 유입된 함유물 입자의 양에 대한 용기의 유출구에 도달된 함유물 입자의 양의 비율인 유출율이 직경 30㎛의 입자를 가지는 함유물 입자의 경우에 대해서 계산되었다.

제3도에 도시된 바와같이, 턴디시의 용량이 10톤(평균 체류 시간은 60초)일때, 유출율은 ″0″이었다.

반면에 제4도에 도시된 바와같이 5톤의 용기가 사용되었을때(평균체류 시간은 30초), 용기내로 유입된 직경 30㎛의 모든 함유물 입자가 유출구에 도달하였다.

그러므로 본 발명자는 턴디시내에서의 용융금속의 평균체류 시간과 함유물의 유출율 사이의 상관관계를 발견하기 위하여 유동해석을 수행하였으며, 그 결과가 제5도에 도시되었다.

제5도로 부터, 평균체류 시간에 40초 이상일 경우에 함유물의 바람직스럽지 못한 유출이 실질적으로 방지될 수 있게는데, 평균체류 시간이 40초 이상일 경우에는 턴디시로부터의 함유물의 유출이 전혀 방지될수 없으며 함유물 유출방지를 위한 임계 턴디시 용량이 있다는 것이 발견되었다.

본 발명자는 상기 경향이 실질적으로 용융금속의 회전흐름의 회전수에 의존하지 않는다는 것도 확인하였는데, 실제로 회전수가 50rpm인 경우와 80rpm인 경우 사이의 임계 턴디시 용량에 있어서 아무런 실질적인 차이가 없었다.

본 발명이 실제장치에 적용될때 본 발명의 효과를 확인하기 위하여, 잉곳으로부터 함유물 추출량을 생산량과, 턴디시 용량이 변화되지 않을때의 턴디시 내에서의 평균 체류시간의 변화와 비교함으로써 조사가 수행되었다.

이 조사로 부터 제6도에 도시된 바와같이 용융금속의 평균체류 시간이 40초 이상인 경우에 현저한 효과가 얻어졌는데, 생산량에 의존하는 임계턴디시 용량이 있다는 것이 도시되었다.

다시말하면 용융금속이 40초 이상의 기간동안 턴디시 내에서 체류되도록 하기 위하여 용융금속의 평균 체류시간에 관하여 턴디시의 용량을 결정해야만 한다.

그리하여 본 발명에 따르면 용융금속의 평균 체류시간이 40초 이하일 경우에는 함유물의 분리가 생길 수 없다는 것이 확인되었다.

용기의 용량이 너무 작아서 용융금속이 용기내에서 40초 이상 체류 할수 없게될 경우 용기내로 유입되는 용융금속의 흐름의 영향이 커서 제2도에서 ″12″로 지시된 용융금속의 유동장이 발생되게 된다.

따라서 슬래그가 유출되는 경향은 용융금속을 전혀 회전시키지 않는 경우에 비하여 증가된다.

그리하여 슬래그의 분리능력은 용기의 용량이 커지는 정도에 따라 향상되지만, 용기의 용량이 더 커지는 것은 내화물의 코스트와 시공비의 증가로 인한 전체 코스트의 증가를 가져온다.

물모델(water model)을 가지고 수행된 실험에 따르면 평균 체류 시간이 15분 이상일때에 슬래그 분리능력에서의 어떠한 실질적인 변화도 평균체류 시간에서의 차이에 의해서는 야기되지 않는 것으로 측정되었다.

그러므로 라이닝 코스트(lining cost)와 설비비의 증가를 피하기 위하여는 평균 체류시간이 600초 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 장치의 구체적 실시예가 제7도에 도시된다.

이 도면을 참조로 할 경우 거기에는 레이들(1), 제1용기(2), 레이들내의 용융금속(11)에 수평회전 흐름을 가하기 위한 회전자기장 발생장치(3), 제2용기(4)와, 제1용기(2)로 부터 제2용기(4)로 공급된 용융금속을 유도 가열하기 위한 유도가열 장치(5)가 도시된다.

″6″은 레이들(1)로부터 주입되는 용융금속(11)이 통과하는 노즐을 나타내며, ″7″, ″9″는 밸브를 나타내며, ″8″, ″10″는 각각 제1 및 제2용기로부터 유출되는 용융금속(11)이 통과하는 노즐을 나타낸다.

″12″(제2도 참조)는 용융금속(110의 유동장을 나타내는 반면에 ″13″(제 8도 참조)은 슬래그를 나타낸다.

본 발명에 따르면 전자기 코일과 같은 회전 자기장 발생장치(3)에 의해 제1용기(2)에 공급된 용융금속(11)에 수평 회전흐름이 가해지게 된다.

따라서 비교적 큰 비금속 함유물 또는 금속간 화합물 입자는 용융금속 보다 작은 비중을 가지는 경우에는 용기의 중앙부분에 집중되게 되고 반면에 용융금속 보다 큰 비중을 가지는 경우에는 용기의 둘레부분에 집중되게 된다.

다음, 용융금속(11)을 가열장치(5)가 구비된 제2용기(4)로 주입시키고, 용융금속(11)의 온도를 상승시키는 것에 의해 금속간화합물의 용해도를 증가시켜 석출된 비교적 작은 입자까지도 용해시킨다.

용해된 금속간 화합물을 응고과정에서는 미세한 석축물로 되기 때문에 철강 생산품에 문제가 되지 않는다.

본 발명에 따르면 용융금속을 수평 회전시키는 용기가 상류측에 설치되는 것이 중요하다.

용융금속이 용기내에서 수평으로 회전될때, 회전이 없을때 보다 온도가 더 하강하게 되어서 이 용기내에 비교적 작은 입자의 함유물 및 금속간 화합물이 생성되는 것을 촉진하게 된다.

다음에 입자크기가 작은 함율물 입자가 용해될 수 있도록 하기 위하여 회전시킨 용기의 하류측에서 온도를 상승시키는 것이 필요하게 된다.

종래의 가열후에 용융금속을 회전시키는 방법으로는 목적을 달성하지 못하게 된다.

제1용기내의 용융금속의 회전은 비교적 큰 입자의 비금속 함유물 및 금속간 화합물을 분리하기 위하여 의도된 것으로 용기내의 용융금속의 회전속도는 종래의 회전식 분리방법에 사용된 회전속도 보다 작게된다.

따라서 이것은 작은 용량의 회전식 자기장 발생장치의 사용을 가능하게 하여서 설치비 및 운전비용을 감소시키게 된다.

그 결과로서 본 발명은 가열장치의 설치 및 운전을 위한 비용을 포함한 전체 비용에서의 감소를 제공하게 된다.

여기서 주입완결시에 분리된 슬래그(13)가 제1용기내에 축적되므로, 이 비정상 조건에서 생산품의 품질이 저하되는 것을 방지하기 위하여는, 제8도에 도시된 바와같이 슬래그(13)가 넘쳐 흐르도록 회전이 일시적으로 중지되고, 제1용기내에 남아있는 용융금속이 별도의 용기로 유출되는 것이 바람직하다.

최종 주입단계에 남아있는 용융금속을 분리용기로 유출시키는 것은 종래부터 사용되어온 방법인데, 이 종래기술의 방법에는 함유물의 분리를 하기 위하여 대용량의용기가 필요하게 되어서 잔류용융 금속의 처리로 인하여 생산량이 심각하게 떨어지게 된다.

그렇지만 본 발명에 따르면, 제1용기의 용량은 종래의 방법에서 사용된 것보다 휠씬 더 작게될 수 있어서, 비정상적인 주입 조건 아래에서의 생산품의 품질이 용융금속의 낭비로 인한 실질적인 생산감소를 수반하지 않고 향상될 수 있다.

[실시예]

제7도의 장치를 가지고 100톤의 알루미늄 킬드(killed)강을 공급하여 실험을 수행하였다.

용융강(11)에 수평 회전이 가해지는 제1용기(2)의 용량은 약 5톤이며, 용융금속이 가열되는 제2용기의 용량은 약 10톤 이었다.

여기서 용융금속(11)의 통과속도는 약 1톤/분이었다.

제1용기(2)내의 용융금속의 회전수는 약 50rpm이며, 제2용기(4)내의 용융금속을 유도 가열하는데는 800kVA의 전압이 소모되었다.

제1용기(2)측의 유입구 및 유출구와 제2용기(4)측의 출구측에서 봄-샘플잉(b omb-sampling)방법에 의해 샘플을 추출하여서, 용융금속의 비금속 함유물을 조사하였다.

제9(a)도 내지 제9(c)도에 슬림(slime) 추출방법 및 EB 방법을 사용하여 조사한 비금속 함유물을 입자크기별 추출량이 도시되었다.

특히, 제9(a)도에는 제1용기(2)의 유입구측에서의 추출량이 도시되며, 제9(b₁)도에는 제1용기(2)의 유출구측에서의 추출량이 도시되며, 그리고 제9(c)도에는 제2용기(4)의 유출구측에서의 추출량이 도시되었다.

용융금속을 수평회전 시키는 것과 뒤이어 그것을 가열시키는 것을 조합하여 사용함으로서 입자의 크기가 작은 것부터 큰 것까지의 비금속 함유물 입자가 효과적으로 제거된다는 것이 분명해진다.

그리하여 단지 수평회전이 효과만에 의한 추출량을 제9(b₁)도로 부터 알수 있으며, 가열 효과만에 의한 추출량을 제9(b₂)도로 부터 알 수 있다.

그리고 이들 효과가 본 발명에 따라 수평회전과 차후의 가열을 조합함으로써 얻어진 효과보다는 적데된다는 것을 알수 있다.

또한 비록 제1용기내의 용융금속의 레벨이 주입 레이들이 교체되는 동안 낮아지게될지라도, 만약 용융금속에 수평회전이 가해지고 평균 체류 시간이 40초 이상이 되면 그러한 경우에도 균일하게 함유물의 분리가 신뢰성 있게 수행된다.

다시말하면 주입시작후에 레이들이 100분 동안 교체될때, 본 발명의 수평 회전이 적용된다면 용융금속내의 산소 함유량이 높은 밀도를 가지고 약 24ppm이 되었고 반면에 본 발명이 적용되지 않을때의 산소 함유량은 30 내지 38ppm으로 높게 나타난다.

이 효과는 특히 레이들이 교체될때 현저하게 되는데 이는 용기내로 주입된 슬래그의 양이 크기 때문이다.

전술된 바와같이 본 발명에 따르면 용융금속으로부터 비금속 함유물을 효과적으로 분리하여 제거하는 것이 가능하며 설비비와 운전비용이 절감되므로 절감된 코스트로 고품질의 주조품을 얻는 것이 가능하게 된다.

Claims (4)

1. 레이들과 주행 사이에 위치된 최소한 제1 및 제2용기내로 용융금속을 유통시킴으로써 비금속 함유물을 제거하는 방법에 있어서, 이동자계 발생장치에 의하여 상기 제1용기의 외주 또는 저면에서 이동자계를 작용시켜서, 상기 제1용기에 주입된 용융금속을 수평 회전시키면서 평균 40초 이상 체류시키는 것과, 상기 용융금속을 상기 제1용기로부터 상기 제2용기로 보내는 것과, 상기 제2용기에 있는 용융금속을 가열하기 위해 용기의 외주 또는 저면 또는 용융금속이 통과하는 채널로 부터 용융금속에 저주파 또는 고주파의 전자 유도를 작용시키거나 용융금속의 상면에서 프라즈마 가열하는 것에 의해 용융금속을 가열하는 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 용융금속의 비금속 함유물 제거방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 용융금속의 수평회전을 중지시켜 상기 용융금속을 상기 용기로부터 넘펴 흐르게 하여서 분리된 비금속 함유물을 장치의 외부로 유출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 용기 바닥에 유출구를 가지며, 외부에 전기적 또는 기계적으로 자계를 이동시키는 회전 자기장 발생장치를 설치하여 용융금속을 원심분리하는 제1용기와, 상기 제1용기로 부터 유출되는 용융금속을 수행하며 수용된 용융금속에 저주파 또는 고주파를 전자유도시키는 용융금속 가열장치 또는 프라즈마 발생장치를 가지는 용융금속 가열 장치를 구비한 제2용기로 구성된 것을 특징으로 하는 용융금속의 비금속 함유물 제거장치.
4. 제3항에 있어서, 레이들로부터 상기 제1용기로 용융금속을 주입시키기 위한 장치와, 상기 제2용기에서 주형으로 용융금속을 유통시키기 위한 장치를 구성으로 하는 것을 특징으로 하는 장치.

Images