KR101010629B1 - 냉각성능이 우수한 쌍롤식 박판주조기의 주조롤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용탕으로부터 직접 박판을 주조하여 비용 및 공정단계를 줄일 수 있는 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(3)에 관한 것으로 그 목적은 용강(2)을 냉각시켜 박판을 만드는 주조롤(3)의 내부 냉각 방법에 있어 냉각수구멍에서 주조롤(3) 표면으로부터 유입된 열유속을 효과적으로 전달하고 냉각수 온도 상승에 의한 슬리브(6) 온도 상승을 효과적으로 차단하는데에 있다.

박판주조기, 주조롤, 슬리브, 냉각수구멍, 냉각성능

Description

냉각성능이 우수한 쌍롤식 박판주조기의 주조롤{Casting Roll with high cooling capacity}

본 발명은 용탕으로부터 직접 박판을 주조하여 비용 및 공정단계를 줄일 수 있는 쌍롤식 박판주조기에 관한 것으로 광폭 주조롤(3)의 슬리브(6) 부분에 형성된 냉각수구멍에서의 냉각효율을 향상시켜 주조중 주조롤(3) 냉각수구멍의 냉각수 온도 상승으로 인해 냉각수구멍 하부에서 슬리브(6) 방향으로 유입되는 열유속을 차단함으로써 결과적으로 주조중 주조롤(3)의 열팽창 현상을 감소시켜 안정된 조업을 실현할 수 있는 한 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(3)에 대한 것이다.

일반적으로 박판의 주조방법에는 용강(2)을 턴디쉬를 통하여 연속주조방법으로 슬라브를제조하고 이를 압연 및 사상작업을 거쳐 박판으로 제조하는 연속 주조방법과, 회전하는 쌍롤과 에지댐 사이에 직접 투입된 용강(2)의 풀을 통하여 주조롤(3)로서 슬라브의 압연 및 사상 작업 없이 직접 주편(5)을 제조하는 쌍롤식 박판주조방법이 있는데, 상기 후자는 연속주조방식의 여러 공정을 거치지 않으면서도 박판을 직접 제조할 수가 있어 원가 측면에서 상당한 비용절감이 가능하기 때문에 최근 쌍롤식 박판주조방식에 대한 집중적인 연구가 진행되고 있다.

이와 같은 일반적인 쌍롤식 박판주조기는 도 1에서 도시하고 있다.

즉, 도 1에서 도시한 바와 같이, 일정속도로 회전하는 2개의 주조롤(3) 사이에 용강저장용기의 하측에 설치된 침지노즐(1)을 통하여 용강(2)이 공급되어 주조롤(3)과 그 양측의 에지댐으로서 형성되는 용강풀을 통하여 공급된 용강(2)이 주조롤(3)과 접촉하여 응고쉘(4)을 형성하면서 주조롤(3)이 회전함에 따라 주조롤의 최근접 점에서 주편(5)을 주조하는 것이다.

이때 상기 용강(2)을 주편(5)으로 주조하기 위한 응고쉘(4)은 주조롤(3)과 용강(2)의 접촉시 냉각되면서 발생하므로 상기 주조롤(3)의 냉각이 중요한 박판주조의 기술이 된다.

도 2에서는 상기 주조롤(3)의 냉각구조를 개략적으로 도시하고 있는데, 용강(2)이 저장된 저장용기의 하측 노즐(1)로부터 공급된 용강(2)이 주조롤(3)의 외측부에 있는 슬리브(6)의 원주방향으로 다수개 형성된 냉각구멍의 냉각수에 의해 냉각되며, 이때 상기와 같은 주조롤(3)의 냉각성능은 상술한 바와 같이 박판주조기의 생산성을 결정하게 되고, 따라서 주조롤(3) 전체의 재질을 열전도도가 좋은 구리를 사용하는 것이 바람직하지만 비용문제를 감안하여 슬리브(6)만 구리 또는 구리합금을 사용하고, 그 외의 주조롤(3)의 나머지 부분 즉 샤프트(7) 부분은 상대적으로 가격이 저렴한 일반강 또는 합금강을 사용하고, 이와 같은 주조롤(3)의 슬리브(6)와 샤프트(7)는 열박음을 통해 조립된다.

그리고 상기 주조롤(3)의 샤프트(7)의 중심부에는 냉각수가 흐르는 큰 냉각수구멍이 형성되어 있다.

한편 상기와 같은 박판주조기에서 주조롤(3)의 열전달 측면을 고려하면 상술한 주조롤(3)의 재질뿐만 아니라 주조롤(3)의 외측에 형성된 슬리브(6)의 원주를 따라 가공된 용강(2)의 냉각에 직접적인 영향을 미치는 냉각수구멍의 구성조건이 주조롤(3)의 내부냉각과 슬리브(6)의 열팽창량을 결정짓는 중요한 변수가 된다.

즉 주조롤(3)의 재질은 일반적으로 열전도도가 좋은 구리 또는 구리합금을 사용하고 있기 때문에 주조롤(3)의 열전달 효율을 결정짓는 가장 중요한 변수는 주조롤(3) 슬리브(6)에 위치하는 냉각수구멍의 적절한 배열과 냉각수구멍의 직경, 개수 및 주조롤(3) 표면으로부터 떨어진 거리 등을 들 수 있다.

냉각성능면에서 냉각수구멍과 주조롤(3) 표면으로부터 떨어진 거리는 주조롤(3) 표면과 가까울수록 좋으나 주조롤(3) 표면의 재가공시 가공에 어려움이 있기 때문에 적정한 거리가 필요하며 일반적으로 15~ 50 ㎜의 거리를 유지하는 것이 적정하다.

따라서 주조롤(3)의 냉각효율을 지배하는 주요변수는 도 3에서 도시한 바와 같이 냉각수구멍의 직경과 개수라고 볼 수 있는데, 주조롤(3) 표면을 통해 흡입된 고열을 원활히 냉각수구멍을 통해 신속히 배출하는 것이 필요한데 이를 위하여 작은 직경의 냉각수구멍이 촘촘하게 배열되는 것이 가장 이상적이다.

그러나 주조롤(3) 슬리브(6)에 가공되는 냉각수구멍의 구성은 임의로 선택할 수 없으며 구멍 직경 및 구멍 수에 있어 제약이 뒤따르게 된다. 즉 상업적으로 생 산성을 확보하기 위해서는 주조롤(3)의 폭이 1~2m에 이르는 광폭의 주조롤(3)을 사용하게 되는데, 냉각수구멍을 가공함에 많은 어려움이 있으므로 수 ㎜직경을 갖는 냉각수구멍의 가공은 거의 불가능하다. 이는 냉각수구멍을 가공하는 심혈(深穴) 작업시 고난도의 기술이 필요하고 따라서, 일반적으로 적정한 폭/심혈직경의 범위가 존재하므로 상기 범위를 넘어서 가공하게 되면 심혈가공시 직진도의 보장이 어려워 가공에 문제가 발생할 경우에는 고가의 주조롤(3)을 손상시키는 문제가 있다.

일반적으로 심혈 가공조건은 폭/심혈직경의 값이 100 ~ 200으로 되어있으나 안정적인 작업을 위해서는 폭/심혈직경 비가 작은 값에서 작업하는 것이 바람직하다. 또 하나의 심혈 가공시의 제약 조건은 냉각수구멍과 냉각수구멍의 최단간격(H)이 냉각수구멍의 직경 이상이어야 한다는 것이다. 따라서 작은 직경의 냉각수구멍을 가공할 경우에는 구멍 간격(H)이 작아 슬리브(6)에 많은 수의 냉각수구멍을 가공할 수 있지만 상대적으로 큰 직경의 냉각수구멍을 가공할 경우에는 구멍 간격(H)의 제약으로 인해 냉각수구멍 수가 급격히 줄어들게 된다.

따라서 주조롤(3)이 광폭화 됨에 따라 냉각수구멍 직경이 커지는 현상은 피할 수 없으며 광폭 주조롤(3)의 경우 구성이 가능한 냉각수구멍 조합 즉, 구멍 직경 및 구멍 수는 한정된 범위 내에 있게 된다.

이러한 광폭 주조롤(3)을 사용하여 장기간 주조시 발생하는 문제점으로는 주조롤(3)의 열팽창이 예상보다 크게 나타나는 것과 주조롤(3)이 열평형에 이르는데 장시간이 소요된다는 것이다. 특히 주조롤(3)이 열평형에 이르는 냉각수구멍 구성의 차이에 따라 다소간의 차이는 있지만 길게는 2시간 주조 후 열평형에 도달하는 경우도 발생한다.

이렇게 주조롤(3)이 열평형 도달에 많은 시간이 소요되면 열평형에 이르는 동안 주조롤(3)의 팽창이 계속 변하게 되어 주조롤(3) 크라운 형상이 변하고 이에 따라 박판의 크라운도 변하는 문제점이 발생한다.

이러한 열평형 도달 시간을 줄이기 위해 다양한 방안이 제안되고 있는데 국내 실용신안 출원 제 39357호에 따르면 냉각홀 내에 원형 삽입물(13)을 넣어 냉각홀 내의 유속을 증가시켜 냉각수구멍에서의 냉각효율을 증가시키는 방안을 제시하고 있다.

본 발명은 종래의 쌍롤식 박판주조기의 광폭 주조롤(3) 사용시 주조롤(3)의 큰 열팽창량과 열평형에 도달하는데 장시간이 소요되는 문제점으로 인해 발생하는 주편(5)의 품질 저하를 해결하기 위해 주조롤(3) 표면의 하부에 가공된 냉각수구멍 내부에 열전도도가 낮은 삽입물(13)을 장착하여 냉각수구멍을 상하를 분리하여 냉각성능을 향상시키는 데 관한 것이다.

상기의 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 주조롤(3)의 냉각수구멍에 열전도도가 낮은 삽입물(13)을 장착함에 따라 냉각수구멍에서 슬리브(6) 쪽으로 열유속의 흐름을 차단하는 효과를 가질 수 있어, 주조시 주조롤(3) 표면으로부터 유입되는 고온의 열유속이 냉각수구멍의 상부 반원을 통해 흘러들어가고 냉각수구멍의 하부반원은 상대적으로 온도가 주변의 슬리브(6)보다 낮으므로 슬리브(6)의 온도가 상승하는 경우 슬리브(6)에서 냉각수구멍의 하부로 열유속이 흐르게 되어 결과적으로 슬리브(6)의 평균 온도를 낮출 수 있어 단시간에 주조롤(3)이 열평형에 도달함에 따라 안정된 품질의 주편(5)을 얻을 수 있다.

본 발명인 냉각성능을 높인 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(3)에 의하면, 주조 롤(3)의 슬리브(6)에 가공된 냉각수구멍 내에 삽입물(13)을 장착하여 냉각수구멍을 상, 하부로 분리하여 각각의 냉각수 유로를 만들어 냉각수구멍의 상부반원은 종래의 냉각수구멍과 같이 주조롤(3) 표면을 통해 들어오는 고온의 열유속을 냉각수에 전달하고, 냉각수구멍의 하부반원은 상부의 냉각수에서 열유입이 거의 차단되어 슬리브(6)의 온도 상승을 억제함에 따라 주조롤(3)의 열팽창량이 낮아지고 열팽창이 정상화되는 시간 즉, 열평형에 도달하는 시간이 단시간에 이루어지므로 조업이 안정되고 따라서 주편(5)의 품질이 우수하게 된다.

본 발명은, 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(3)에 있어서,

상기 주조롤(3)의 외측부를 형성하고 있는 슬리브(6)의 표면 하부에 냉각수구멍이 가공되어 있고, 상기 냉각수구멍의 내부에는 삽입물(13)이 장착되어 있어 상기의 냉각수구멍을 상부와 하부로 각각 분리시켜 상기 슬리브(6)의 냉각효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 우수한 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(3)에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 냉각수구멍(8) 내부가 하나의 유로로 구성되어 있는 종래의 일반적인 냉각수구멍(8)을 도시한 것이며 도 4는 본 발명에 따른 냉각성능을 높인 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(3)을 도시한 요부도로서 주조롤(3)의 냉각수구멍(8) 내부에 삽입물(13)이 장착된 형태를 도시하고 있는데, 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기의 박판주조기에서 사용되는 주조롤(3)은 중심에 냉각수(11)가 흐르는 중심부 냉각수구멍(9)이 형성된 스틸 샤프트(7)와 상기 샤프트(7)의 외측면에 있고 열전달이 우수한 구리 또는 구리합금으로 이루어진 슬리브(6)가 열박음으로 조립되어 있다.

도 3은 종래의 주조롤(3) 표층하에 있는 냉각수구멍(8)을 나타낸 것으로 냉각수구멍(8)이 원형의 일체형으로 되어 있어, 용강(2)으로부터 유입된 고온의 열유속이 냉각수에 직접 전달되어 냉각수의 온도를 상승시키고, 고온의 냉각수는 주위의 슬리브(6)에 열유속을 통해 열이 전도되므로 슬리브(6)의 열평형 도달시간이 장시간 소요되고 열팽창량이 증가하는 문제점이 있다.

도 4는 본 발명의 냉각수구멍(8)을 도시된 것으로 상기 종래의 냉각수구멍(8)에 열전도도가 낮은 삽입물(13)을 장착하여 냉각수구멍(8)을 각각 상하로 분리한다.

이러한 냉각수구멍(8) 내에 삽입물(13)이 장착된 주조롤(3)의 장점을 설명하면 다음과 같다.

종래의 냉각수구멍(8)이 삽입물(13)이 장착되지 않고 일반적인 원형을 가지는 경우 주조롤(3) 표면으로부터 흡입된 열유속이 냉각수구멍을 통해 전달되며 주조롤(3) 표면의 열유속은 대부분 냉각수구멍(8) 내로 전달이 된다. 이때 주조롤(3) 표면으로부터 냉각수구멍(8) 내로 유입된 열유속은 필연적으로 냉각수구멍(8) 내에 흐르고 있는 냉각수의 온도를 상승시키게 된다.
즉, 주조롤(3)의 입측부에서 들어온 냉각수는 출측부로 나가면서 온도가 상승하게 되는데 이에 따라 주조롤(3)을 냉각시키는 작용을 원활히 하지 못하게 된다.
일반적으로 냉각수구멍의 위치는 슬리브(6) 표면에 근접하여 위치하고 있어 슬리브(6) 두께를 기준으로 보면 냉각수구멍 하부에서 슬리브(6) 내경까지의 거리가 냉각수구멍 상부에서 슬리브(6) 외경까지의 거리에 비해 2~3배 두꺼운 것이 보통이며, 주조롤(3) 표면으로부터 흡입된 열유속이 전달되어 온도가 상승된 냉각수가 흐르는 냉각수구멍(8)을 통해서는 슬리브(6) 전체를 열평형으로 만드는데에는 장시간이 소요되게 된다.

본 발명은 상기의 문제점을 방지하기 위한 것으로, 종래의 상기 냉각수구멍(8)에 열전도도가 낮은 삽입물(13)을 장착하여 냉각수구멍(8)을 상하로 각각 분리시켜 냉각수를 흐르게 함으로써 상부반원의 냉각수구멍(8)은 종래의 냉각수구멍(8)과 같이 주조롤(3) 표면을 통해 유입되는 열량을 냉각수로 전달시키는 냉각수구멍 본연의 역할을 하게 하고, 하부반원의 냉각수구멍(8)은 주조롤(3) 표면으로부터 열유입이 거의 차단되어 냉각수의 온도가 상승하지 않아 입측부의 냉각수 온도가 출측부까지 유지되므로 냉각수구멍 하부와 인접해 있는 슬리브(6)의 온도를 상승시키지 것을 차단하는 역할을 한다. 따라서 냉각수구멍(8)으로의 열유입이 냉각수구멍(8) 내의 냉각수의 온도를 상승시키고 상기의 고온의 냉각수를 통해 결과적으로 주조롤(3)의 열평형에 도달하는 시간을 길게 하는 종래의 발명과는 달리 본 발명은 단시간에 주조롤(3)이 열평형에 도달하게 된다.

이하 본 발명의 효과를 실시예를 통해 설명하면 다음과 같다.

주조롤(3)의 직경은 1250 ㎜, 주조롤(3) 폭은 1340 ㎜의 광폭이고 슬리브(6)의 재질은 구리합금이며 주조롤(3) 표면에는 2 ㎜두께의 니켈이 도금되어 있는 주조롤(3)을 사용하였고 용강(2)과 주조롤(3) 접촉시 열유속은 8 MW/m² 그리고 주조 속도는 60 m/min, 용강(2)높이는 450 ㎜, 그리고 주조롤(3) 표면으로부터 냉각수구멍(8) 경계면까지의 거리가 20㎜이며 슬리브(6)의 두께는 120 ㎜이고 냉각수구멍(8)의 직경은 20 ㎜인 것을 사용하였다.

본 발명의 효과를 확인하기 위하여 동일한 냉각수구멍 조건에서 실시하고자 동일한 크기 및 개수의 주조롤(3)의 냉각수구멍(8) 내부의 삽입물(13)이 있는 경우인 실시예와 없는 경우인 비교예에서의 주조롤(3)이 열평형에 도달하는데 걸린 시간과 열팽창량을 표 1에 나타내었다. 열평형에 도달한 시간은 주조속도 및 용강(2)과 주조롤(3) 접촉시 열유속의 변화가 미미한 조건에서, 3시간 이상 주조를 하는 경우 박판의 크라운 형상이 5% 내에서 변동하는 경우로 정하였다.

[표 1]

구분	주조롤의 열팽창량(㎛)	주조롤이 열평형에 도달한 시간(분)
비교예	90	80
실시예	40	12

표 1에 나타난 바와 같이 냉각수구멍(8) 내부에 삽입물(13)이 있는 주조롤(3)을 사용한 실시예가 삽입물(13)이 없는 주조롤(3)을 사용한 비교예에 비해 주조롤(3)의 열팽창량이 상대적으로 낮고 단시간에 열평형에 도달하는 것으로 보아본 발명의 효과가 매우 우수함을 알 수 있다.

도 1은 일반적인 쌍롤식 박판주조기를 도시한 개략도이다.

도 2는 종래 쌍롤식 박판주조기의 주조롤 냉각구조를 도시한 개략도이다.

도 3은 종래 주조롤 표면 하부에 냉각수가 통입되는 냉각수구멍을 도시한 요부도이다.

도 4는 본 발명의 주조롤 표면 하부에 가공된 냉각수구멍에 삽입물이 장착된 모습을 도시한 요부도이다.

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* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1. 노즐 2. 용강

3. 주조롤 4. 응고쉘

5. 주편 6. 슬리브

7. 샤프트 8. 냉각수구멍

9. 중심부 냉각수구멍 10. 사이펀 튜브

11. 중심부 냉각수 12. 슬리브와 샤프트의 경계면

13. 삽입물 H. 냉각수구멍 간의 간격

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Claims (4)

1. 주조롤(3)의 외측부를 형성하고 있는 슬리브(6)의 표면 하부에 냉각수구멍이 가공되어 있는 쌍롤식 박판주조기의 주조롤(3)에 있어서,

   상기 냉각수구멍의 내부에 삽입물(13)이 장착되어 상기의 냉각수구멍을 상부와 하부로 각각 분리시킨 것을 특징으로 하는 냉각성능이 우수한 쌍롤식 박판주조기의 주조롤.
2. 제1항에 있어서,

   상기 주조롤(3)은 광폭의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 우수한 쌍롤식 박판주조기의 주조롤.
3. 제1항에 있어서,

   상기 냉각수구멍의 내부에 삽입하는 삽입물(13)은 열전도도가 낮은 것을 특징으로 하는 냉각성능이 우수한 쌍롤식 박판주조기의 주조롤.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,

   냉각수구멍(8)의 하부에서 슬리브(6)의 내경까지의 거리가 냉각수구멍(8)의 상부에서 슬리브(6)의 외경까지의 거리에 2~3배이고, 냉각수구멍(8)과 냉각수구멍(8) 간의 최단간격(H)이 냉각수구멍(8)의 직경 이상인 것을 특징으로 하는 냉각성능이 우수한 쌍롤식 박판주조기의 주조롤.

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