KR100379603B1 - 슬라이딩게이트제어방식의턴디시에서의연속주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬라이딩게이트로 유량제어되는 턴디시에서의 연속주조방법에 관한 것으로서, 특히 연속주조 공정의 턴디시 하부에 위치한 노즐의 막힘을 방지하여 연속주조공정의 생산성 향상에 기여할 수 있는 슬라이딩게이트로 유량제어되는 턴디시에서의 연속주조방법에 관한 것이다.

본 발명은 슬라이딩 게이트로 턴디시에서 주형으로 공급되는 용강의 유량을 제어하는 방식의 연속주조 방법에서, 주조개시 초기에 턴디시 노즐을 슬라이딩 게이트로 밀폐한 상태에서 상기 턴디시의 상노즐 내부 형상을 중심축에 대하여 경사진 형태가 되도록 함과 동시에, 노즐내 회전와류를 형성할 수 있도록 슬라이딩 게이트의 상부 플레이트에 노즐 반지름 방향과 어긋나도록 다수의 가스분사관을 설치하여 불황성가스를 분사하도록 하여 용강환류를 촉진하고 개재물에 의한 노즐막힘을 방지하도록 하는 것을 특징으로 하는 턴디시에서의 연속주조방법을 요지로 한다.

Description

슬라이딩 게이트 제어방식의 턴디시에서의 연속주조 방법

본 발명은 슬라이딩 게이트로 유량제어되는 턴디시에서의 연속주조 방법에 관한 것으로서, 특히 연속주조 공정의 턴디시 하부에 위치한 노즐의 막힘을 방지하여 연속주조 공정의 생산성 향상에 기여할 수 있는 슬라이딩 게이트 제어 방식의 턴디시에서의 연속주조 방법에 관한 것이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 연속주조 공정은 래들(1)의 용강(2)을 턴디시(3)를 거쳐 주형(4)으로 공급하여 1차로 응고시키고 연속하여 살수냉각(5)에 의하여 용강(2)을 완전히 응고시켜 주편으로 제조하는 공정이다. 그러나, 보통 연속주조 개시 초기에 래들(1)로부터 턴디시(3)로 용강(2)을 주입하면, 용강이 래드의 노즐을 통과할 때 턴디시(3)로 방출되는 노즐막힘 방지용 충진재나, 턴디시에 투입하는 단열보온재(6), 그리고 턴디시 내화물의 파편등이 용강(2)에 혼입된 상태로 주형(4)으로 공급되므로 제품의 결함이 야기되는 문제를 안고 있었다.

이를 해결하기 위하여 턴디시(3)로 유출되는 개재물량을 최소화시켜야 하는데, 이를 위하여 종래에는 스톱퍼방식과 스타트 뉴브방식의 2가지 방법을 사용하고 있다.

전자는 도 2(b)에 도시된 바와같이, 용강(7) 유량을 스톱퍼(8)로 제어하는방식으로 스톱퍼로 턴디시의 상부노즐(9)을 막은 상태에서 용강(7)이 일정한 높이의 탕면(10)에 도달할 때까지 기다린 후, 스톱퍼(8)를 개공하는 방식으로 탕면(10)에 도달할 때까지 개재물(11)의 부상분리 시간을 확보하므로서 청정강을 제조할 수 있도록 하는 방법으로, 도 3에서 보는 바와 같이 스톱퍼 개공시 탕면높이가 높을수록 용강의 청정도는 향상되는 것을 알 수 있다.

즉, 스톱퍼 방식을 사용할 경우, 탕면의 높이가 높아질수록 헤어 심 지수(hair seams index)와, 슬래그 스팟 지수(Slag spots index) 모두 낮아지는 것을 나타내고 있다.

상기 슬래그 스팟 지수는 주편을 절단한 후 절단면을 연마하여 스프링 용지로 누르면 개재물이 있는 곳이 검게 나타나는 현상으로서, 이들의 단위 면적당 숫자를 나타낸다.

상기 헤어 심 지수는 주편압연시 개재물이 압연되면서 생기는 결함으로서, 턴디시에 용강을 받아 주형으로 공급하는 과정에서 용강의 높이가 높아지면 용강중 개재물이 떠오를 수 있는 시간적 여유가 많으므로 더욱 많은 개재물이 제거되므로써, 상기 헤어 심이나 슬래그 스팟등이 감소하는 효과를 얻을 수 있다.

후자는 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 용강(7)의 공급전 1쌍의 철재관(13)을 상부노즐(9) 상부에 놓아두면 용강(7)이 철재관(13)을 넘칠때 까지는 탕면(10)이 높아지고, 턴디시내 용강(7) 체류시간도 길어지므로 상기와 같은 개재물(11)이 용강(7)중에 혼입되어 주형(4)으로 공급되는 것을 최소화할 수 있다.

또한, 철재관(13)은 일정시간후 자동적으로 용강(7)에 의해 용융되므로 문제가 되지 않는다. 그러나 철재관(13)은 예열시 상부의 화염에 의해 녹아버리므로 높이를 상승시키는 데 한계가 있으며, 통상적으로 대형 상업용 턴더시의 경우 최대높이의 1/4이 한계로서 여전히 주조초기의 품질열화 현상이 발생하는 문제점이 있었다.

이러한, 슬라이딩 게이트 유량 제어방식의 문제점을 해결하기 위해서 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 슬라이딩 게이트(12)의 중간 플레이트(15)로 상부노즐(9)을 막고 상부 플레이트(14)나 중간 플레이트(15)를 통하여 가스를 취입하면서 턴디시내 용강(7)의 탕면(10)이 높아질때까지 기다린 후 중간 플레이트(15)를 열고 주조를 개시하는 소위 클로즈드 스타트(closed start)법이 개발되었다.

이 경우 개공시 탕면(10)을 충분히 높일 수 있고 개재물(11)이 부상할 수 있는 충분한 시간을 확보해주어 청정강을 제조할 수 있는 장점이 있다.

본 발명자가 동일한 방법으로 현장시험을 한 결과, 도 4에서 보듯이 종래 방법(스타트 튜브법)에 비해 본 발명과 관련된 클로즈드 스타트법이 주편의 청정도가 우수함을 알 수 있었다. 도 4는 턴디시의 양측에 2개의 노즐을 통하여 2곳의 주형에 용강이 공급되어 2갈래의 주편이 나오므로, 이들 각 주형을 구분하기 위하여 다른 색 및 도형으로 표시한 것으로서, 검은색으로 표시된 데이터 포인트(data point)가 클로즈드 스타트법을 나타낸 것이고, 흰색으로 표시된 데이터 포인트가 스타트 튜브법을 나타낸 것이다.

그러나 상기한 클로즈드 스타트법에서도 이를 현장에 적용시에는 주조개시 시점의 탕면을 높게 하기 위해 충분한 시간을 유지할수록 도 5(a) 및 도 5(b)와 나타난 바와 같이 중간 플레이트(15), 상부 플레이트(14), 상부노즐(9)의 내벽에 접촉하는 용강(17)이 응고되어 노즐막힘이 일어나 중간 플레이트(15)가 개공되지 않거나, 개공이 된다고 하여도 응고된 지금(16) 때문에 턴디시(3)내 용강(17)을 주조하지 못하여 막대한 경제적인 손실이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 턴디시의 용강환류를 촉진하여 저온성 노즐막힘을 방지함은 물론, 개재물에 의한 노즐막힘을 방지하여 연속주조 공정의 생산성 향상에 기여할 수 있는 슬라이딩 게이트 제어방식의 턴디시에서의 연속주조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 연속주조 공정의 개요를 도시한 개략도,

도 2(a)는 본 발명과 관련된 클로즈드 스타트법을 도시한 도면,

도 2(b)는 종래 주조방법을 도시한 도면,

도 3은 턴디시 탕면상승과 용강의 청정도 향상과의 관계를 도시한 그래프도,

도 4는 본 발명에 관한 주조 방법에서 개재물 함유량 지수와 연속주도된 슬라브수와의 관계를 도시한 그래프도,

도 5(a) 주조개시시 턴디시 노즐막힘중 저온성 노즐막힘을 나타낸 사진을 도시한 도면,

도 5(b) 주조개시시 턴디시 노즐막힘중 개재물성 노즐막힘을 나타낸 사진을 도시한 도면,

도 6은 내화물 예열지수와 실제용강 과열온도와의 관계를 도시한 그래프도,

도 7은 턴디시 노즐에서 용강의 응고와 지금형성 억제 기구를 개략적으로 도시한 도면,

도 8(a)는 상부 플레이트의 단면사시도.

도 8(b)는 상부 플레이트에 장착된 링의 단면사시도.

도 8(c)는 직관형 링의 평면도.

도 8(d)는 와류형 링의 평면도.

도 9(a)는 수직형 상부노즐의 정단면도.

도 9(b)는 깔대기형 상부노즐의 정단면도.

도 9(c)는 경사형 상부노즐의 정단면도.

도 10는 턴디시 노즐형태에 따른 개스 유량 및 용강의 재순환유속과의 관계를 도시한 그래프도,

도 11은 턴디시 노즐형태에 따른 개스 유량 및 용강의 노즐내 부피분율과의 관계를 도시한 그래프도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 래들 2: 용강

3: 턴디시 4: 주형

5: 살수냉각 6: 단열보온재

7: 용강 8: 스톱퍼

9: 상부노즐 10: 탕면

11: 개재물 12: 슬라이딩게이트

13: 철재관 14: 상부플레이트

15: 중간플레이트 16: 지금

17: 용강 18: 가스플륨

19: 재순환류 20: 벌크용강

21: 수직형 22: 깔때기형

23: 경사형 24: 직관형

25: 와류형 26: 순환속도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명자는 현장시험시 노즐개공율에 미치는 턴디시 내화물의 예열온도와 주입용강의 온도의 영향을 살펴보았는데 도 6에 나타난 바와 같이, 내화물의 예열온도와 용강과열도(super heat)가 낮거나, 개재물이 노즐내 가스분사관을 막으면 노즐막힘이 발생한다. 그러나 실제 주조시 내화물 예열온도와 용강과열도는 주조 및 품질제어상 고정된 변수로서 제어가 곤란하다.

그리고, 상술한 클로즈드 스타트방법을 사용시 노즐내 지금의 형성 및 억제기구를 해명하여야 하고, 개재물에 의한 분사관 막힘을 방지하여야 하나 현재까지 이에 대한 연구가 전무한 실정이었다. 본 발명자는 하기의 실시예를 통하여 상기 기구를 규명하고 다양한 수모형 시험과 실기시험을 통하여 새로운 형태의 주조개시법을 발명하였다.

이하에서는 실시예를 중심으로 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

(실시예 1)

도 5(a), 도 5(a)는 노즐내 형성된 지금(16)의 전형적인 모식도로서, 단열성이 양호한 상부노즐(9)보다 상대적으로 열전도성이 좋은 카본질의 상부 플레이트(14)와 중간플레이트(15)에 연하여 두꺼운 지금(16)이 형성되어 중간플레이트(15) 개공시 용강(17)이 통과하지 못하는 미개공상태가 된다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이 벌크(bulk) 용강(20)이 상부노즐(9)과 접하므로 상대적으로 상부 및 중간플레이트부(14,15)는 용강온도가 낮게 될 가능성이 높다. 노즐내 용강(17)은 내화물 벽면을 통한 방열과 취입가스의 용강내 승온에 의해 열량이 감소하여 응고된다.

실기크기의 투명아크릴제 수모형을 제작하여 상부 및 중간플레이트(14,15)에 가스를 취입하면서 연료를 투입하여 용강유동을 관찰하였다. 그 결과 도 7에서 보듯이 용강은 가스취입시 취입과 동시에 버블링(bubbling)되어 부력에 의하여 용강탕면으로 상승되는 가스 플륨(plume: 18)을 형성한다. 이때 용강도 함께 상승하고 턴디시 내부에는 재순환류(19)가 형성되며 턴디시 바닥면의 재순환류 중의 일부가 노즐벽면을 따라 하강한다.

즉, 가스취입시 노즐 내부의 저온의 용강은 노즐 중심부의 가스 플륨(18)과 함께 턴디시 벌크(bulk) 용강(20) 내로 방출되고, 고온의 벌크 용강(20)이 노즐 가장자리를 따라 유입되어 노즐내 지금(16)의 형성을 억제한다는 사실을 발견하였다.

이상을 종합하면 노즐내 용강은 내화물과 취입가스 승온에 의한 열량손실량과 노즐내로 역류되는 벌크용강에 의한 열량유입량의 수지에 의하여 노즐막힘이 결정된다. 주입 용강의 온도뿐만 아니라 초기 유입용강 중 다량의 개재물에 의하여 가스분사관이 막히는 문제점도 해결하여야 한다.

이러한 문제점을 동시에 해결하기 위하여 턴디시 노즐중 상부노즐(9)의 형상과 상부 플레이트(14)의 가스분사판의 형상을 변경하여 수모델시험과 현장시험을 실시하였다.

(실시예 2)

도 8(a)는 상부 플레이트의 단면사시도이고, 도 8(b)는 상부 플레이트에 장착된 링의 단면사시도이며, 도 8(c)는 직관형 링의 평면도이고, 도 8(d)는 와류형 링의 평면도이고, 또한, 도 9(a)는 수직형 상부노즐의 정단면도이고, 도 9(b)는 깔대기형 상부노즐의 정단면도이고, 도 9(c)는 경사형 상노즐의 정단면도로서, 상부노즐(9)은 가스취입시 노즐내로 역류되는 용강유로를 확보하기 위하여 벽면을 기존의 수직형(21), 깔때기형(22), 경사형(23) 3가지로, 상부플레이트(14)의 가스분사관은 노즐벽에서 중심축방향의 직관형(24)과 중심축방향에서 벗어난 와류형(25)으로 변경하면서 수모형시험을 실시하였다.

기존의 사용노즐은 수직형 상부노즐(9)과 직관형 상부플레이트(14)이다. 수모형시험시 노즐형상과 가스유량을 변경시키면서 염료를 주입하면서 턴디시내 용강의 순환속도(도 7의 26)를 측정하였다. 또한 노즐내 가스분율을 조사하기 위하여 가스취입 및 미취입시 수면높이의 차에 해당하는 체적을 구하고, 전체노즐내 체적으로 나누어 가스분율을 조사하였다.

도 10에 수모형 시험결과를 나타내었다. 재순환유속은 가스유량 증가시 증가하며 상부 플레이트(14)가 직관형(24)보다는 와류형(25)이, 상부노즐(9)은 수직형(21), 깔때기형(22) 그리고 경사형(23)순으로 증가한다. 따라서 상부노즐(9)은 경사형이고 상부플레이트(14) 가스분사관은 와류형(25)이 가장 재순환유속이 빨라 노즐내 지금(16)형성 억제측면에서 가장 유리하다. 와류형 상부플레이트(14)는 가스취입시 유체가 회전하는 특징을 가지고 있다.

노즐내 가스부피분율을 조사한 결과인 도 11을 보면, 경사형 노즐(23)과 와류형(25) 상부플레이트가 가장 부피분율이 낮아 노즐내 유효 용강량은 가장 크므로 지금(16)억제 측면에서 가장 유리하다. 경사형 상부노즐(9)은 재순환류의 역류 유로를 확대시키고, 와류형 상부플레이트(14)는 회전류 형성시 비중이 낮은 가스가 중심부로 몰리면서 가스 플륨(18)의 직경도 감소시켜 재순환류(19)의 유입유로를 증가시키는 장점이 있다. 또한 유입 용강중 개재물(11)이 존재하더라도 용강에 비해 비중이 가벼운 개재물은 노즐 중심축으로 몰리면서 가스분사노즐을 막는 문제도 감소할 것이다.

(실시예 3)

상기 각 상부노즐(9) 및 상부플레이트(14)의 형상에 따라, 또한 상부노즐(9) 벽면에 가스취입 여부에 따라서 자연개공율을 조사하여 하기의 표 1에 나타내었다. 또한, 다공질의 상부노즐(9)에 가스를 취입여하에 따라서도 비교하였다. 취입가스 유량은 80 l/min였다. 그 결과 경사형(23) 노즐과 와류형(25) 상부플레이트를 사용한 경우가 개공율이 가장 높다. 이는 가스취입시 노즐내로 역류해 들어오는 용강유량이 가장 많고, 개재물도 노즐축 중앙부로 집중되므로 지금(16)이나 개재물(11)에 의한 노즐막힘이 감소한 것으로 사료된다.

또한, 상부노즐(9)의 가스취입을 병행한 경우가 개공율이 더욱 높았는데 이는 상부노즐(9) 가스취입에 의하여 얇은 가스필름이 내벽면에 형성되어 용강에서 내화물로의 방열량을 감소시키기 때문으로 사료된다. 깔때기형(22) 상부노즐 및 회전형 상부플레이트(14)를 사용하여 현장에서 실험결과, 하기의 표 2와 같이 20 l/min 이하에서는 와류가 형성되지 못하여 개공율을 향상시키는 효과가 없고 60 l/min 이상이 되어야 노즐막힘 방지가 가능하고 120 l/min 이상에서는 100% 개공이 가능하나 스프래쉬가 발생하게 된다.

*가스 사용량: 80 l/min

상술한 본 발명에 의하면, 연속주조 공정의 턴디시에서 노즐의 내벽에 지금이 부착되어 노즐이 막히는 것을 방지하므로서 노즐의 개공율을 높이는 효과가 있다. 또한, 개재물에 의한 가스분사 노즐의 막힘을 방지할 수 있으며, 이를 통하여 연속주조 공정의 생산성 향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 슬라이딩 게이트로 턴디시에서 주형으로 공급되는 용강의 유량을 제어하는 방식의 연속주조 방법에 있어서,

   주조개시 초기에 턴디시 노즐을 슬라이딩 게이트로 밀폐한 상태에서 상기 턴디시의 상부노즐 내부 형상을 중심축에 대하여 경사진 형태가 되도록 함과 동시에, 노즐내 회전와류를 형성할 수 있도록 슬라이딩 게이트의 상부 플레이트에 노즐 반지름방향과 어긋나도록 다수의 가스분사관을 설치하여 불활성가스를 분사하도록 하여 용강환류를 촉진하고 개재물에 의한 노즐막힘을 방지하도록 하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 게이트 제어방식의 턴디시에서의 연속주조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 상부노즐의 벽면에 다공질을 형성하여 가스취입을 하고, 상기 상부 플레이트의 분사관을 통한 가스취입을 동시에 하며 상기 불활성 가스인 아르곤의 유량은 40∼120 l/min이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 게이트 제어방식의 턴디시에서의 연속 주조방법.