KR100194090B1 - 스트립 주조 방법 및 장치 - Google Patents

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KR100194090B1 KR1019900015177A KR900015177A KR100194090B1 KR 100194090 B1 KR100194090 B1 KR 100194090B1 KR 1019900015177 A KR1019900015177 A KR 1019900015177A KR 900015177 A KR900015177 A KR 900015177A KR 100194090 B1 KR100194090 B1 KR 100194090B1
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더블유.폴 스테드 도널드
씨.포웰 존
씨.써스만 리챠드
에스.윌리암 로버트
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카를로스 엠. 헤르난데즈
암코 인크.
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Abstract

주조 노즐은 본 발명에 따라 제어된 변수를 가진 개선된 유동조건을 제공한다. 노즐 슬롯과 배출구멍사이의 갭관계는 유동에 전단이나 난류가 없이 부드러운 유동을 제공하기 위하여 집중배출통로의 조합하여 제어되어야 한다. 노즐립은 유동을 개선하고 노즐립의 내화수명을 증가시키기 위항 둥굴게되어 있다. 저장 용기벽은 노즐에 용융물질을 공급하기 위하여 유동을 개선하도록 경사져 있다. 노즐은 최적조건을 위하여 상사 중심 아래의 약 45°에 위치되어 있다.

Description

스트립 주조 방법 및 장치
제1도는 스트립을 연속 주조하기 위해 사용되는 본 발명의 전형적인 장치를 도시하는 부분 단면된 개략도.
제2도는 본 발명의 노즐의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 저장소(턴디쉬) 12 : 용융 재질
14 : 노즐 16 : 주조 스트립
18 : 회전 기층
본 발명은 회전하는 단일 롤 또는 벨트의 상사점(top dead center) 앞에 위치된 노즐을 사용하는 연속 스트랜드 주조 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 얇은 결정 또는 비결정(crystalline or amorphous) 스트립을 연속 주조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 소정 스트립 두께, 기층(substrate) 속도, 기층 표면, 배스 재질(bat도 material)등의 조건에 의해 결정된 유동 율(flow rate)로 정압하에서 회전하는 냉각된 기층에 용융된 재질이 공급된다.
얇은 결정 또는 비결정 스트립을 주조하는 데 있어서, 주조 스트립을 소정 품질 및 두께로 제조하기 위해 주조 노즐을 통한 용융물의 유동의 정밀한 제어가 요구된다. 노즐 설계에서의 여러 각도 및 구멍은 회전 기층에서 용융 재질의 유동에 중요한 영향을 미친다.
미합중국 특허 제4,142,571호 및 제4,221,257호에서는, 회전 기층에서 연속적으로 비결정 스트립을 주조함에 있어서 고려하여야 할 많은 일반 노즐 변수가 기재되어 있다. 이들 특허에서는 냉각된 물체 상부 위치에 슬롯형 노즐(slotted nozzle)을 통해 냉각된 물체의 이동 면에 용융 재질을 가압하는 주조 방법이 사용되었다. 소정 등방성 구조를 형성하기 위한 비결정질로 형성함에 있어서는 극히 빠른 담금질 속도가 요구된다.
본 명세서에 참조로 인용된 미합중국 특허 제4,476,583호, 제4,479,528호, 제4,484,614호 및 제4,749,024호에 기술된 바와 같은 주조 시스템을 사용하여 금속 스트립이 연속 주조된다. 이들 주조 시스템에서는 상사점으로부터 후방에 노즐을 위치시키고 회전 기층 상의 용융 금속의 균일한 유동을 개선시키기 위해 여러 가지 노즐 관계가 사용된다. 용융 금속을 공급하는 용기의 벽은 기층에 인접하게 위치된 균일한 좁은 슬롯 내로 수렴되도록 일반적으로 설계된다. 주물의 균일성을 개선하기 위해 노즐 립(lip)은 정밀한 가격, 치수 및 형상을 갖는다.
종래 주조용 노즐 구조는 회전 기층에 용융 재질의 균일한 유동을 제공하지 못하였다. 노즐로부터 배출시 스트림 확산(stream spreading), 스트림 엣지의 롤링(rolling), 상승된 스트립 중심의 형성 및 파형 형성(wave formation)을 제어하는 정확한 노즐 변수가 발견되지 않았다.
본 발명은 불균일한 스트림 상태를 크게 감소시키며, 여러 가지 노즐 변수의 정확한 제어를 필요로 하는 노즐 구조에 의해 보다 안정된(consistent)유동을 제공한다.
본 발명의 노즐은 용융 금속의 균일한 유동 및 감소된 엣지 효과(edge effect)를 갖는 주조 스트립을 제공하는 여러 가지 설계 상의 특징을 갖는다. 용융 금속을 공급하는 턴디쉬 벽 경사(tundish wall slope)의 제어와, 노즐 간격 구멍(nozzle gap opening)과, 노즐 벽의 형상과, 노즐과 회전 기층 사이의 간격과, 이들 변수들 사이의 일반적인 관계는 노즐의 주요 특징이다.
본 발명의 스트립 주조 시스템은 주조 노즐에 용융 금속을 공급하기 위한 턴디쉬 또는 저장소를 포함한다. 공급 벽은 주조 노즐에 용융 재질이 원활하게 유동될수 있도록 성형된다. 양호한 주조 시스템에서, 공급 벽은 냉각된 회전 기층에 용융 금속의 노즐 방출 수직 각에 대해 약 15°내지 약 90°의 각도로 경사진다. 노즐은 상사점 앞의 위치에, 양호하게는 상사점 앞 약 5°내지 90°에 위치된다. 노즐은 스트립 두께에 따라 약 0.254㎜(0.01in) 내지 약 7.62㎜(0.30in)의 슬롯 간격을 갖는다. 노즐 슬롯 간격보다 작고 주조될 스트립의 두께보다 두꺼운 노즐 방출 간격과 함께 약 1°내지 15°의 수렴 노즐 방출 각(converging nozzle exit angle)이 사용된다. 양호한 수렴 노즐 각은 3°내지 10°이다. 기층에 대한 노즐 슬롯의 접근 각은 약 45°내지 120°이며, 양호하게는 60°내지 90°이다. 용융 금속은 회전 기층상에서 주조되어 스트립으로 응고된다.
노즐 슬롯 간격은 기층과 노즐의 출구 사이의 간격에 대한 관계에 의해 또한 특징 지워진다. 노즐 슬롯은 출구 간격 거리 보다 크며, 이에 의해 스트립 전단이 감소된다. 노즐로부터 방출되는 용융 금속의 수렴 각에 의해 균일한 두께의 스트립이 생성된다.
본 발명의 주요 목적은 광범위한 스트립 두께 및 폭에 대해 개선된 품질 및 균일성(uniformity)을 갖는 스트립 주조를 위한 개선된 주조 노즐을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 광범위한 용융된 성분(composition)으로부터 결정 및 비결정 스트립 또는 호일(foil)을 주조하기 위해 광범위한 턴디쉬 및 기층 시스템과 함께 사용될 수 있는 스트립 주조 노즐을 제공하는데 있다.
본 발명의 장점은 개선된 표면 및 균일한 두께를 갖는 스트립 또는 호일을 주조할 수 있다는 점이다.
본 발명의 다른 장점은 용융물 저장소 내의 정적 헤드 압력(static head pressure)의 사용 가능한 범위를 증가시킬 수 있다는 점이다. 본 발명의 노즐에 의해 제공된 보다 제한된 유동 조건에 의해 균일한 스트립을 연속 생산하는 용융물 공급 장치로부터 보다 넓은 범위의 압력이 허용된다.
본 발명의 다른 목적 및 장점이 이하의 양호한 실시예의 상세한 설명 및 관련 도면으로부터 명백해질 것이다.
제1도에서, 턴디쉬 또는 저장소(10)내로의 용융 재질(12)의 유동을 제어하기 위한 스토퍼 로드(9)를 구비한 레이들(8)을 포함하는 본 발명의 주조 시스템이 도시되어 있다. 냉각되고 20방향으로 회전하는 회전 기층(18)상에 주조 스트립(16)을 생산하기 위해 용융 재질(12)이 주조 노즐(14)에 공급된다. 노즐은 상사점 앞에 소정 각도로, 통상, 약 5°내지 90°, 양호하게는 약 15°내지 60°의 각도로 위치된다.
제2도에서, 용융 재질(12)은, 후방 턴디쉬 벽(10a)을 따라 노즐 간격(G1)으로, 약 15°내지 90°(양호하게는 약 45°내지 75°)의 경사각(A)을 제공함으로써 유동을 개선하도록 성형된 적절한 고온 내화 물질로 제조된 턴디쉬(10)를 통해 노즐(14)에 공급된다. 전방 턴디쉬 벽(10b)은 일반적으로 약 15°내지 90°의 각도로 성형되며, 양호하게는 60°내지 90°로 경사지며, 제2도에서 각도(D)로 도시되어 있다.
질화 붕소(bron nitride)와 같은 내화 물질로 제조된 노즐(14)은 통상 동일한 일반적인 경사를 갖는 후방 턴디쉬 벽(10a)의 연장부인 후방 노즐 벽(14a)을 갖는다. 그러나, 본 발명에서 가장 넓은 의미로 사용된 노즐과 공급 벽 사이의 용융물의 유동이 접합부에서 원활하게 유동되면 공급 벽의 경사와 노즐 벽의 경사는 다를수도 있다. 전방 노즐 벽(14b)은 약 5°내지 45°, 통상 약 15°내지 30°의 각도를 갖는 보다 완만한 경사이다. 이러한 경사는 도면에서 각도(B)로 표시되어 있다. 이들 벽들의 경사의 조합에 의해 노즐(14)내로 용융 금속이 원활하게 유동된다. 노즐이 r1으로 도시된 바와 같이 라운딩되어 있을 때 노즐(14b)의 상부 견부에서 용융물의 유동이 개선된다. 노즐 구조에서 견부의 라운딩은 스트림 내의 난류를 감소시키며, 슬롯의 막힘(clogging)을 감소시키며, 노즐의 파손 및 마모를 감소시키며 보다 균일한 주조 스트립을 생성한다. 노즐 벽의 경사에 의해 두께가 감소되기 때문에 용융 재질로부터 기층 근처의 노즐 영역으로의 열전달이 개선되며, 이는 응고를 감소시키는데 도움이 된다.
약 0.762㎜(0.03in) 내지 1.27㎜(0.05in)의 스트립을 주조하기 위해 노즐 벽(14a, 14b)사이의 간격(G1)은 약 0.254㎜(0.01in) 내지 약 7.62㎜(0.3in)이며, 통상 약 1.27㎜(0.05in) 내지 2.54㎜(0.10in)이다. 슬롯의 길이는 변화될 수 있으나 성공적인 주조를 위해서는 약 6.35㎜(0.25in) 내지 12.7㎜(0.5in)인 것이 좋다. 전방 노즐 벽(14b)은 스트림의 유동 및 스트립의 균일성을 개선하는 r2로 표시된 하부 라운딩된 부분을 갖는다. 노즐 부분의 라운딩(r1, r2)은 이들 구역에서 마모 및 파손을 감소시킨다.
전방 벽(14b)의 하부 부분과 기층 사이의 거리는 주조 변수들과 소정 스트립 두께 사이의 균형에 의거 결정되며, 도면에서 G2로 표시되어 있다. G2는 G3의 크기 및 사용되는 수렴 각(C)의 관계에 의해 결정된다.
수렴 노즐을 사용하면 부분적으로 응고된 스트립이 방출될 때까지 기층과 노즐 사이의 거리는 경사지게 변화된다. 수렴 노즐은 기층(18)에 대해 약 1°내지 15°의 각도(C)를 갖는다. 출구 지점에서 노즐의 간격은 G3로 표시되며 적어도 소정 스트립 두께의 높이이다. G3의 간격은 노즐이 수렴되기 때문에 G2보다 작고 G1보다도 작다. 수렴 노즐과, 휠 상의 위치와, 휠에 대한 용융물 공급 각과 함께 이들 간격 구멍의 관계에 의해 주조 시스템이 개선된다.
본 노즐 시스템은 회전 기층에 의해 제거되는 용융 스트림을 제어하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 휠, 드럼 또는 벨트와 같은 기층의 회전 속도에 의한 견인 작용(pulling action)은 주조 노즐을 통한 용융 금속 유동 패턴에 의해 반작용되어야 하는 유동 패턴 또는 확산 작용(spreading action)을 발생시킨다. 정적 헤드 압력의 증가는 유동 율(flow rate)을 증가시키나 이러한 방법은 난류를 증가시키는 영향이 있고 표면 품질에 악영향을 미치는 유도 패턴을 야기한다. 노즐을 통한 용융 재질의 유동은 기층에의 유동에 중요한 영향을 미치며, 과거에는 이를 완전히 해석하지 못하였다. 본 발명에서는, 노즐을 통한 유동을 제한함으로써 보다 균일하고 편평한 스트립을 형성할 수 있으며, 주조 스트립의 제어에 도움이 된다.
주조 노즐로부터 가압된 유동을 사용함으로써 보다 큰 유연성(flexibility)을 갖게 되어 기층의 상사점 앞의 각도를 증가시킬 수 있다. 기층의 상부로부터 보다 후방으로 이동됨으로써 기층의 소정 회전 속도에 대해 기층과 용융 금속 사이에서보다 길게 접촉되는 주조 방법이 제공된다. 보다 긴 기층과의 접촉에 의해 응고중열을 추출하는 전체 능력이 증가된다.
특히 수직 접근간을 갖는 노즐과 비교하여, 접근각(A)은 노즐로부터 방출되는 유동의 원활성(smoothness)을 개선하는 것이 발견되었다.
유동을 개선시키며 보다 균일한 스트립을 얻기 위해 간격(G1, G2, G3) 사이의 관계는 매우 중요한다. 간격(G1)이 간격(G3)보다 클 때, 용융 금속이 후방으로 유동하려는 경향이 보다 더 제어 가능하다. G3에서 형성된 좁은 스트립은 보다 제어되고 균일하다. 이러한 간격 관계에 의해 노즐 내에 완전한 채널이 제공되며 노즐루프와 일정하게 용융물이 접촉된다. G3에서 루프와 접하는 용융물에 의해 보다 균일한 유동이 발생되며 보다 균일한 주물이 생산된다. 루프가 단속적으로 용융 금속과 접촉된다면, 이는 스트림의 요동(fluctuation)을 야기하여 불균일한 주조 스트립이 생성된다. 노즐을 통한 제한적인 유동은 스트림이 얇게 되는 경향 및 주조될 스트립의 중심에서 고 유동 영역(high flow region)을 감소시킨다. 제한적인 유동은 스트림의 엣지 효과를 최소화한다.
수렴 노즐의 장점은 표 1에서 알수 있다. 수렴 노즐이 보다 균일한 유동을 형성하여 스트림을 편평하게 유지하도록 그리고 회전 기층과 접촉 가압한다는 것을 알수 있다. 수렴 노즐은 스트림이 중심 또는 엣지에서 롤 업(roll up)될 수 있게한다. 간격(G3)의 제어는 주조 작업에서 스트림의 균일성에 매우 중요하나, 수렴 노즐은 큰 G3상태에 대해서는 주조 상태를 개선한다. G3가 G1보다 작으면, 노즐은 우수한 유동 특성을 갖는다. 스트림의 확산이 거의 없으며 안정된 편편한 유동이 양호하게 엣지 제어되어 형성된다. 노즐 코너의 라운딩(r1, r2)은 스트림에서 와류의 형성을 감소시키며 보다 원활하고 보다 균일한 유동 상태를 제공한다. 내부 면 및 외부 립 상의 날카로운 코너는 응력과 막힘과, 가능한 마모 또는 손상을 야기하는 강한 재순환 패턴(strong recirculating pattern) 및 큰 압력 강하를 야기한다. 미합중국 특허 제4,479,528호에서와 같은 종래의 어떤 설계에서는 라운딩된 코너가 사용되나, 수렴 노즐이 난류를 감소시키고 유동을 개선하는데 사용되어야 한다는 점을 제시하지는 않았다. 본 발명에서는 제한적인 노즐 통로가 금속 유동의 균일성 및 주조 스트립의 품질을 향상시키는 것을 발견하였다.
G1의 간격 치수는 간격(G3)보다 크게 한정되는 것이 중요하다. 다른 노즐 설계의 범위가 본 발명의 노즐 변수의 일부와 중복될 수도 있지만, 특정 노즐 간격과 유동 변수가 본 노즐 설계의 결과를 발생시키도록 제안되지는 않았다.
Figure kpo00002
표 1에 도시된 수 모델(water model) 연구 결과는 본 발명의 노즐의 유동 특성을 나타낸다. 7.62㎝(3in) 내지 40.64㎝(16in)사이에서 변화되는 용융 헤드 압력 및 60.96㎝/min(2ft/min) 내지 609.6㎝/min(20ft/min)의 기층 속도를 갖는 시뮬레이팅 된 213.36㎝(7ft) 직경의 휠이 3.81㎜(0.15in), 2.54㎜(0.10in) 및 1.27㎜(0.05in)의 노즐 슬롯(G)에 대해 평가되었다. 시뮬레이팅 된 스트립 두께는 0.635㎜(0.025in) 내지 2.413㎜(0.095in)사이에서 변화되며 스트립의 폭은 7.64㎝(3in)의 폭이다. 유동 상태를 관찰함으로써 광범위한 상태에 대해 본 발명의 우수한 노즐 설계의 장점이 확인되었다. 5, 7, 12, 16회 실험은 제2간격(G)이 노즐 슬롯(G)보다 크기 때문에 균일한 유동 상태가 형성되지 않았다. 수렴 노즐의 사용은 발산 노즐 사용(diverging trial)에 비해 유동을 개선하나, 본 발명의 모든 장점을 얻기 위해 소정 간격 관계를 유지하는 것이 요구되었다.
40.64㎝(16in)의 페로스터틱(ferrostatic) 헤드 및 약 1582℃(2880℉)의 주조 온도로 용융된 저탄소강이 213.36㎝(7in) 직경의 동(copper) 휠 상에 주조되었다. 노즐 슬롯(G)은 2.54(0.10in)이다. 기층 속도는 여러 가지 노즐 변수 및 이들이 유동 율 및 스트립 품질에 미치는 영향을 평가하기 위해 60.96㎝/min(2ft/min) 내지 609.6㎝/min(20ft/min) 사이에서 변화되었다. 7.62㎝(3in)의 폭 및 약 0.889㎜(0.035in) 내지 1.016㎜(0.04in) 두께의 균일한 주조 스트립이 본 발명에 따른 휠 상의 주조 위치 및 공급 접근간을 갖는 본 발명의 수렴 노즐로 생산되었다. G보다 큰 간격(G)을 갖는 노즐 구조는 본 발명의 간격 관계에 의해 소정 유동 상태 및 스트립 품질을 형성하기 못했다.
본 발명의 양호한 실시예가 예시를 목적으로 상술되었지만, 본 기술 분야에 속한 숙련된 자들은 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 여러 가지로 변형시킬 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. a) 용융 금속을 공급하기 위해 후방 턴디쉬 벽(10a) 및 전방 턴디쉬 벽(10b)을 갖는 용융된 금속을 수납하여 저장하기 위한 턴디쉬(10)와, b) 적어도 주조될 상기 스트립 이상의 폭을 갖는 냉각된 회전 기층(18)과, c) 상기 기층(18)에 대해 45°내지 120°의 각도로 상기 후방 턴디쉬 벽(10a)에 연결된 후방 티밍 노즐 벽(14a)과, 전방 티밍 노즐 벽(14b)과, 0.254㎜(0.01in) 내지 7.62㎜(0.3in)의 상기 후방 및 전방 티밍 노즐 벽 사이의 슬롯 간격(G1)과, 상기 노즐 슬롯 간격(G1)보다 작은 출구 노즐 간격(G3)을 갖는 수렴 방출 오리피스로 구성된, 턴디쉬(10)에 연결된 노즐(14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 스트립 연속 주조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수렴 방출 오리프스는 1°내지 15°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 스트립 연속 주조 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전방 티밍 노즐 벽과 후방 티밍 노즐 벽 사이의 상기 간격은 1.27㎜(0.05in) 내지 2.54㎜(0.10in)인 것을 특징으로 하는 금속 스트립 연속 주조 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 후방 턴디쉬 벽 및 후방 티밍 노즐 벽은 45°내지 90°의 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 스트립 연속 주조 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전방 턴디쉬 벽은 15°내지 90°의 각으로 경사진 것을 특징으로 하는 금속 스트립 연속 주조 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 노즐은 기층 상부 앞에 5°내지 90°의 위치에 위치되는 것을 특징으로 하는 금속 스트립 연속 주조 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 노즐은 기층 상부 앞에 15°내지 60°의 위치에 위치되는 것을 특징으로 하는 금속 스트립 연속 주조 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전방 티밍 노즐 벽은 5°내지 45°의 각도로 경사진 것을 특징으로 하는 금속 스트립 연속 주조 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기층은 수냉식 동 휠인 것을 특징으로 하는 금속 스트립 연속 주조 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기층은 벨트인 것을 특징으로 하는 금속 스트립 연속 주조 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 노즐은 질화 붕소로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 스트립 연속 주조 장치.
  12. 턴디쉬(10)와, 수렴 주조 노즐(14)과, 회전 기층(18)을 갖는 주조 장치에 있어서, 상기 노즐(14)은 상기 노즐 아래 상기 기층(18)의 거리(G3) 보다 큰 슬롯 간격(G1)을 갖는 것을 특징으로 하는 주조 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 노즐은 상기 기층의 상부 앞에 15°내지 60°의 위치되는 것을 특징으로 하는 주조 장치.
  14. a) 용융 금속(12)의 공급원을 제공하는 단계와, b) 0.254㎜(0.01in) 내지 2.54㎜(0.10in)의 슬롯 간격(G1) 및 상기 슬롯 간격(G1)보다 작고 수렴되는 통로를 갖는 주조 노즐(14)에 상기 용융 금속(12)을 제공하는 단계와, c) 간격(G3)으로부터 냉각된 회전 기층(18)에 상기 금속 스트립을 주조하는 단계를 포함하며, 상기 노즐(14)에서 제한을 증가시키므로써 상기 기층(18)에 원활한 금속 유동을 제공하는 것을 특징으로 하는 금속 스트립 연속 주조 방법.
  15. 용융된 금속이 주조용 노즐(14)위의 용융 금속 공급원으로부터 상기 주조 노즐 아래의 회전 기층(18)에 공급되는 연속 스트립 주조 노즐을 위한 페로스터틱 헤드 압력 요구조건을 감소시키는 방법에 있어서, 상기 노즐 슬롯을 통해 용융 금속의 유동을 제한하는 단계와, 상기 노즐 슬롯의 간격(G1)보다 작게 상기 기층 위의 노즐 오리피스 간격(G3)을 조절하는 단계와, 상기 노즐로부터의 방출 지점에서 상기 오리피스 위의 상기 노즐을 접촉하지 않는 용융 금속의 유동을 제공하기 위해 상기 회전 기층(18)의 속도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 노즐 내로 감소된 와류를 갖는 용융 금소의 원활한 유동을 제공하기 위해 15°내지 90°의 경사를 갖는 후방 벽과 15°내지 90°의 경사를 갖는 전방 벽 사이에서 상기 용융된 금속 공급원이 상기 노즐에 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1019900015177A 1990-06-22 1990-09-25 스트립 주조 방법 및 장치 KR100194090B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

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