KR101120110B1 - 연속주조 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속주조 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노즐과 용강 사이 계면에서의 비금속 개재물 생성을 억제할 수 있고, 이미 부착된 비금속 개재물을 용이하게 제거할 수 있는 연속주조 장치 및 방법에 관한 것으로,

본 발명에 따른 연속주조 방법은, 외주면에 전극이 형성되며, 상기 외주면 및 내부에 전원이 인가되는 노즐을 마련하는 단계; 상기 전원으로 펄스형 전압 또는 펄스형 전류를 인가하여 비금속 개재물을 제거하는 단계를 포함한다.

연속주조, 비금속 개재물, 펄스형 전원

Description

연속주조 장치 및 방법{Device for continuous casting and method thereof}

본 발명은 연속주조 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노즐과 용강 사이 계면에서의 비금속 개재물 생성을 억제할 수 있고, 이미 부착된 비금속 개재물을 용이하게 제거할 수 있는 연속주조 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 연속주조 장치 등에서 사용되는 턴디쉬는 그 바닥에 형성된 용강 배출구와 상기 용강 배출구와 연결된 노즐을 통해 용강을 주형으로 배출시키는 역할을 수행한다. 이러한 연속주조 장치를 이용하여 장시간 주조를 할 경우, 턴디쉬 노즐과 용탕의 계면에 비금속 개재물이 퇴적된다. 비금속 개재물이 퇴적되면 턴디쉬에서 주형으로 토출되는 용강류의 흐름이 불균일해지고 몰드 플럭스가 용강류로 혼입되어 응고되는 주편 결함이 생긴다.

상기 비금속 개재물의 퇴적을 억제하기 위하여 노즐 내부로부터 불활성 기체를 취입하는 방법이 제시된 바 있으나, 취입된 기체로 인해 발생하는 기포가 주형으로 유입되어 응고층에 포집되면 주편의 기포 결함이 되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 노즐 재질을 CaO성분으로 제조하여 용강 중 비금속 개재물인 Al₂O₃가 부착되면 이와 반응하여 액상의 저융점 개재물을 형성시켜 노즐이 용손되도록 하는 기술, 용강 중에 Ca을 투입하여 상기 반응을 유도하는 기술, 노즐 내 용강의 응고에 의한 막힘을 방지하기 위하여 단열성 재질의 노즐을 사용하는 기술 등 여러가지 기술들이 제안된 바 있으나, 아직도 미흡한 상태이다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 전기화학적 해리 반응을 이용하여 노즐과 용강 사이 계면에서의 비금속 개재물 생성을 억제할 수 있고, 이미 부착된 개재물을 용이하게 제거할 수 있는 연속주조 장치 및 방법을 제공한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연속주조 방법은,

외주면에 전극이 형성되며, 상기 외주면 및 내부에 전원이 인가되는 노즐을 마련하는 단계; 상기 전원으로 펄스형 전압 또는 펄스형 전류를 인가하여 비금속 개재물을 제거하는 단계를 포함한다.

상기 펄스형 전압은 그 크기가 0.2 내지 0.4V인 것이 바람직하다.

상기 노즐을 통해서 산소 이온을 확산시키는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 연속주조 장치는, 용강 배출구가 형성되고, 내벽에는 내화물이 형성된 턴디쉬와 상기 용강 배출구와 연결되는 노즐을 포함하는 연속주조 장치에 있어서, 상기 노즐의 외주면에는 전극이 형성되고, 상기 내화물 내부에는 적어도 일측이 노출되는 전도성 물질층이 형성되며, 상기 전극과 전도성 물질층은 펄스형 전원 인가부와 전기적으로 연결된다.

상기 용강 배출구를 향하여 상기 전도성 물질층의 일측이 노출되는 것이 바 람직하다.

상기 노즐을 통해서 산소 이온이 확산되는 것이 바람직하다.

상기 노즐은 지르코니아로 이루어진 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 노즐과 용강 사이 계면에서의 비금속성 개재물 생성을 억제할 수 있고, 이미 부착된 개재물을 용이하게 제거할 수 있게 되어, 노즐의 교체 횟수를 크게 줄일 수 있으며, 이에 따라, 연속주조 공정을 간소화시키며 공정 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 비금속 개재물의 퇴적으로 인한 주편 결함을 방지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다. 또한, 이하에서는 비금속성 개재물로서 대표적인 알루미나성 개재물을 예를 들어 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 연속주조 방법을 도시한 순서도, 도 2는 본 발명에 따른 연속주조 방법의 원리를 설명하는 도로써, 전기장 인가시에 노즐을 통해 산소 이온이 배출되는 원리를 설명하는 도, 도 3은 본 발명에 따른 연속주조 방법을 구현하기 위한 모델링 회로도, 도 4는 도 3의 회로도에서 0.2V의 외부 전압 인가시에 용강 내의 산소 농도 변화를 도시한 그래프, 도 5는 도 3의 회로도에서 외부 전압 증가에 따른 용강 내의 산소 농도 변화를 도시한 그래프, 도 6은 도 3의 회로도에서 외부 전압을 0.4V 이상 증가시켰을 때, 노즐과 용간 간의 계면 조직을 확대하여 도시한 도, 도 7은 도 3의 회로도에서 정전압 인가시와 펄스전압 인가시의 산소 농도 변화를 비교하여 도시한 그래프, 도 8은 본 발명에 따른 연속주조 장치를 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 외주면에 전극이 형성되며, 상기 외주면 및 내부에 전원이 인가되는 노즐을 마련한다.(S10)

턴디쉬 바닥에 형성된 용강 배출구와 연결된 노즐의 외주면에, 예를 들면 흑연 또는 코발트와 같은 전도성 물질을 코팅하여 전극을 형성한 다음, 용강과 노즐이 접하는 계면에 외부 전원이 인가될 수 있는 전극을 형성하여 외주면 및 내부에 전원이 인가되는 노즐을 마련한다.

일반적으로 턴디쉬는 철로된 외피와, 상기 외피 위에 형성되며 턴디쉬의 내벽을 이루는 내화물로 구성된다. 이때, 상기 내화물은 절연체이므로 전원을 인가할 수 없고, 또한 턴디쉬 내에 있는 용강은 고온의 물질이므로 전원을 인가할 수 있는 적절한 수단이 없다. 따라서, 통상의 방법으로는 상기 계면에 외부 전원을 인가할 수 있는 전극을 형성할 수 없다. 이를 해결하기 위해, 본 발명에서는 상기 내화물 내부의 소정 영역에 전도성 물질층을 형성한다. 즉, 내화물과 전도성 물질층, 그리고 내화물을 순차적으로 형성한 다음, 턴디쉬 바닥에 형성된 용강 배출구를 통해 상기 전도성 물질층이 일부 노출되도록 한다.

이때, 용강에 의해 전도성 물질층의 일부가 녹게 되지만, 용강의 전도성 물질층으로의 침투는 한계가 있어서, 전도성 물질층이 모두 녹지는 않는다. 또한 용강은 쇳물로써 전도성이 있으므로, 용강이 도선 역할을 할 수 있다.

즉, 내화물 내부에 전도성 물질층을 형성하고, 상기 전도성 물질층을, 예를 들면 턴디쉬의 용강 배출구를 향해 일부 노출시키면 용강 내부 전체가 도선 역할을 하게 된다. 상기 용강은 노즐 내부에도 존재한다. 따라서, 외주면 및 내부에 전원이 인가되는 노즐을 마련할 수 있게 된다.

그 다음, 상기 전원으로 펄스형 전압 또는 펄스형 전류를 인가하여 비금속 개재물을 제거한다.(S20)

계면활성 성분인 산소는 계면에서의 농도가 높아 계면에서, 다음과 같은 반응에 의해, 2Al³⁺+3O^2- --> Al₂O₃ 인 알루미나성 개재물을 형성한다. 본 발명은, 도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 알루미나성 개재물이 형성된 노즐과 용강 사이에 직류 전기 회로를 구성시키고 직류 전압을 가하면, 노즐을 전해질 삼아 계면에 있는 산소가 해리되어 이온의 형태로 노즐 외면으로 확산되어 계면에서의 Al₂O₃의 생성을 억제시키는 원리를 이용한 것이다.

즉, 계면에서의 산소 이온 농도가 높으면 알루미나성 개재물이 생성되고, 산소 이온 농도가 낮으면 알루미나성 개재물이 해리되므로, 노즐을 통해 노즐과 용강 사이 계면에 있는 산소 이온을 확산시켜 제거하는 것이다.

산소 이온의 배출능을 평가하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 턴디쉬 노즐과 용강을 모델링하여 용강 중에 함유된 산소가 고체 전해질을 통해 방출되는 속도를 측정하였다. 이때, 고체 전해질로써 지르코니아를 사용하였다.

즉, 외부 전압을 인가하고, 용강과 모델링된 노즐인 지르코니아 간의 전압을 측정하여 용강 계면에 있는 산소 이온의 농도를 추산하였다.

그 결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 회로에 공급되는 외부 전압이 0.2V일 때 산소 농도가 급격히 강하하였다. 이로써 노즐을 통한 산소 이온의 확산(산소 이온의 제거) 속도가 매우 빠르다는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 용강 내 산소 농도는 1005ppm에서 59ppm까지 급감하였다. 도 4에서 세로축은 산소 농도, 가로축은 외부 인가 전압 시간이다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 인가된 외부 전압을 증가시켰을때 산소 농도(적색선-Applied value)는 감소하지만, 0.4V 이상의 전압에서는 산소 농도(흑색선-Measured value)가 7ppm 이하로는 강하하지 않음을 확인하였다. 이는 0.4V 이상 외부전압 증가시 산소확산 저항이 증가됨을 의미한다. 이때의 턴디쉬 노즐과 용강 사이의 조직을 확대해보면, 도 6에 도시된 바와 같은 개재물층이 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 이 개재물층이 산소 확산의 저항이 됨을 알 수 있다.

즉, 이 결과로부터 산소 이온 농도를 낮추기 위해 인가되는 전압은 0.2V 내지 0.4V인 것이 바람직함을 알 수 있다. 이때, 정전압을 인가한 경우, 계면산소 저감은 대략 3ppm 정도가 한계였고, 그 이하로는 내려가지 않았다.

나아가, 주기적인 펄스형 전압을 인가한 경우, 산소 농도가 1.7 ppm까지 내려간 것을 확인하였다. 즉, 외부 인가 전압을 주기적으로 변화시키면 계면 저항이 감소하는 효과를 가져올 수 있음을 알 수 있었다.

일반적으로, Al₂O₃가 가장 환원되기 어려우며, 이를 위해서는 용강 중 산소가3ppm이하가 되어야 한다. 따라서, 본 발명에서와 같이, 노즐의 외주면에 도전성 물질을 코팅하여 전극을 형성하고, 노즐과 용강이 접하는 계면에 전극을 형성한 후, 상기 전극에 외부에서 주기적인 펄스형 전압 또는 펄스형 전류를 인가하면 Al₂O₃가 계면에서 효과적으로 환원되어 제거될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 연속주조 장치를 도시한 단면도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연속주조 장치는, 노즐(10)의 외주면에는 전극(11)이 형성되고, 상기 내화물 내부에는 적어도 일측이 노출되는 전도성 물질층(21)이 형성되며, 상기 전극과 전도성 물질층은 펄스형 전원 인가부(30)와 전기적으로 연결된다.

일반적으로, 연속주조 공정에 사용되는 턴디쉬(100)는 그 바닥에 용강 배출구(110)가 형성되고, 내화물로 이루어진 내벽(20), 상기 내벽을 감싸는 외피(120) 를 포함하여 구성된다. 상기 용강 배출구와 연결된 노즐(10)을 통해 용강을 주형으로 배출시키는 역할을 수행한다.

본 발명에서는 상기 노즐(10)의 외주면에 전도성 물질을 코팅하여 하나의 전극(11)을 형성하고, 상기 내벽(20)을 이루는 내화물 내부에 전도성 물질층(21)을 형성한다. 상기 전도성 물질층(21)은 용강에 노출되도록 한다. 전도성 물질층(21)은 용강에 의해 용해되므로, 용강 배출구(110)를 향해 노출되도록 하면, 용강에 의한 전도성 물질층의 용해를 최소화할 수 있다.

한편, 용강에 의한 전도성 물질층의 용해는 한계가 있으며, 용강 또한 전도성이 있으므로 용강은 전도성 물질층과 함께 도선을 이룬다. 따라서, 턴디쉬(100)의 외부에서, 상기 전극(11) 및 전도성 물질층(21)과 연결되는 펄스형 전원 인가부(30)를 통해 펄스형 전압 또는 펄스형 전류를 인가할 수 있다. 이때, 상기 전극은 (+)극과 연결시키며, 상기 전도성 물질층(21)은 (-)극과 연결시킨다.

그러면, 전술한 바와 같이 비금속성 개재물에 포함된 산소 이온은 노즐(10)을 전해질 삼아 확산되어 비금속성 개재물에서 제거됨으로써 노즐과 용강 사이 계면에서의 비금속 개재물 생성을 억제할 수 있다. 그 결과, (+)극과 연결된 노즐 외주면에는 산소 이온이 전자를 받아서 산소(O₂)가 발생되며, 이 산소는 노즐의 외주면에 부착되거나 대기 중에 흡수되고, 노즐과 용강 사이의 계면에서는 비금속성 개재물이 해리된다. 같은 방법으로 이미 부착된 개재물도 용이하게 제거할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 연속주조 장치 및 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 연속주조 방법을 도시한 순서도,

도 2는 본 발명에 따른 연속주조 방법의 원리를 설명하는 도로써, 전기장 인가시에 노즐을 통해 산소 이온이 배출되는 원리를 설명하는 도,

도 3은 본 발명에 따른 연속주조 방법을 구현하기 위한 모델링 회로도,

도 4는 도 3의 회로도에서 0.2V의 외부 전압 인가시에 용강 내의 산소 농도 변화를 도시한 그래프,

도 5는 도 3의 회로도에서 외부 전압 증가에 따른 용강 내의 산소 농도 변화를 도시한 그래프,

도 6은 도 3의 회로도에서 외부 전압을 0.4V 이상 증가시켰을 때, 노즐과 용간 간의 계면 조직을 확대하여 도시한 도,

도 7은 도 3의 회로도에서 정전압 인가시와 펄스전압 인가시의 산소 농도 변화를 비교하여 도시한 그래프,

도 8은 본 발명에 따른 연속주조 장치를 도시한 단면도이다.

Claims (7)

1. 턴디쉬 바닥에 형성된 용강 배출구와 연결된 노즐의 외주면에 전도성 물질을 코팅하여 형성된 전극과, 상기 턴디쉬의 내벽을 이루는 내화물 내부에 형성되며 상기 용강 배출구를 향해 일측이 노출되는 전도성 물질층을 통해 용강과 노즐이 접하는 계면에 전원이 인가될 수 있는 전극을 형성하여, 상기 외주면 및 내부에 전원이 인가되는 노즐을 마련하는 단계;

   상기 전원으로 펄스형 전압 또는 펄스형 전류를 인가하여 상기 계면에 있는 산소를 해리하고, 해리된 산소가 이온의 형태로 확산되어 비금속 개재물의 형성을 억제하는 단계

   를 포함하는 연속주조 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 펄스형 전압은 그 크기가 0.2 내지 0.4V인 연속주조 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 비금속 개재물은 알루미나성 개재물인 연속주조 방법.
4. 용강 배출구가 형성되고, 내벽에는 내화물이 형성된 턴디쉬와 상기 용강 배출구와 연결되는 노즐을 포함하는 연속주조 장치에 있어서,

   상기 노즐의 외주면에는 전극이 형성되고, 상기 내화물 내부에는 상기 용강 배출구를 향해 일측이 노출되는 전도성 물질층이 형성되며, 상기 전극과 전도성 물질층은 펄스형 전원 인가부와 전기적으로 연결된 연속주조 장치.
5. 삭제
6. 청구항 4에 있어서,

   상기 노즐을 통해서 산소 이온이 확산되는 연속주조 장치.
7. 청구항 4에 있어서,

   상기 노즐은 지르코니아로 이루어진 연속주조 장치.

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