KR20130034262A - 침지형 초음파 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 턴디쉬내에 침지되어 출강구 측으로 초음파를 발생하는 침지형 초음파 발생장치에 관한 것으로, 이를 위하여 턴디쉬 내의 용강 또는 출강구 측으로 초음파를 발생하는 초음파변환기, 및 상기 초음파변환기를 감싸는 튜브 형태로 형성되며, Al2O3, ZrO2 및 MgO 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성되는 내화체를 제공한다.

Description

침지형 초음파 발생장치{DEVICE FOR GENERATING ULTRASONIC WAVE OF SUBMERGED TYPE}
본 발명은 턴디쉬 내 개재물 저감 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 턴디쉬내에 침지되어 출강구 측으로 초음파를 발생하는 침지형 초음파 발생장치에 관한 것이다.
연속주조기는 제강로에서 생산되어 래들(Ladle)로 이송된 용강을 턴디쉬(Tundish)에 받았다가 연속주조기용 몰드로 공급하여 일정한 크기의 주편을 생산하는 설비이다.
연속주조기는 용강을 저장하는 래들과, 턴디쉬 및 상기 턴디쉬에서 출강되는 용강을 최초 냉각시켜 소정의 형상을 가지는 연주주편으로 형성하는 연주용 몰드와, 상기 몰드에 연결되어 몰드에서 형성된 연주주편을 이동시키는 다수의 핀치롤을 포함한다.
다시 말해서, 상기 래들과 턴디쉬에서 출강된 용강은 몰드에서 소정의 폭과 두께 및 형상을 가지는 연주주편으로 형성되어 핀치롤을 통해 이송되고, 핀치롤을 통해 이송된 연주주편은 절단기에 의해 절단되어 소정 형상을 갖는 슬라브(Slab) 또는 블룸(Bloom), 빌렛(Billet) 등의 주편으로 제조된다.
관련된 선행기술로는 한국특허공개 제2001-25910호(공개일: 2001. 04. 06)가 있다.
본 발명은 턴디쉬내에 침지되어 출강구 측으로 초음파를 발생하는 침지형 초음파 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 침지형 초음파 발생장치는, 턴디쉬 내의 용강 또는 출강구 측으로 초음파를 발생하는 초음파변환기; 및 상기 초음파변환기를 감싸는 튜브 형태로 형성되며, Al2O3, ZrO2 및 MgO 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성되는 내화체;를 포함할 수 있다.
상기 초음파 발생장치는 상기 내화체의 상단부에 돌출 형성되어 용강에 침지된 내화체를 턴디쉬 커버 상에 고정시키기 위한 고정블록을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 내화체의 하단부는 ZrO2 계열로 형성될 수 있으며, 상기 내화체의 하단부는 기공율이 5% 이하인 것이 바람직하다.
상기 내화체는 턴디쉬 내의 용강에 침지되며, 턴디쉬의 용강 또는 출강구 측으로 초음파가 발생되도록 스톱퍼에 인접하여 설치될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 의하면, 초음파 발생장치가 용강에 침지되어 주조 중에 용강 내 개재물의 크기를 직접적으로 미세화시킴으로써, 노즐 막힘 저감에 기여할 수 있으며, 이에 따라 연연주수의 증가를 통한 생산성 향상 및 제품의 산화성 개재물에 의한 결함을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예와 관련된 연속주조기를 용강 흐름을 중심으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 도 1의 턴디쉬를 위에서 본 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 침지형 초음파 발생장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 초음파 발생장치의 설치 및 작동을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예와 관련된 연속주조기를 용강의 흐름을 중심으로 나타낸 개념도이다.
연속주조(continuous casting)는 용융금속을 바닥이 없는 몰드(Mold)에서 응고시키면서 연속적으로 주편 또는 강괴(steel ingot)를 뽑아내는 주조법이다. 연속주조는 정사각형, 직사각형, 원형 등 단순한 단면형의 긴 제품과 주로 압연용 소재인 슬라브, 블룸 및 빌릿을 제조하는 데 이용된다.
연속주조기의 형태는 수직형과 수직만곡형 등으로 분류된다. 도 1에서는 수직만곡형을 예시하고 있다.
도 1을 참조하면, 연속주조기는 래들(10)과 턴디쉬(20), 몰드(30), 2차냉각대(60 및 65), 핀치롤(70), 그리고 절단기(90)를 포함할 수 있다.
턴디쉬(Tundish, 20)는 래들(Ladle, 10)로부터 용융금속을 받아 몰드(Mold, 30)로 용융금속을 공급하는 용기이다. 턴디쉬(20)에서는 몰드(30)로 흘러드는 용융금속의 공급 속도조절, 각 몰드(30)로 용융금속 분배, 용융금속의 저장, 슬래그 및 비금속 개재물(介在物)의 분리 등이 이루어진다.
몰드(30)는 통상적으로 수냉식 구리제이며, 수강된 용강이 1차 냉각되게 한다. 몰드(30)는 구조적으로 마주보는 한 쌍의 면들이 개구된 형태로서 용강이 수용되는 중공부를 형성한다. 슬라브를 제조하는 경우에, 몰드(30)는 한 쌍의 장벽과, 장벽들을 연결하는 한 쌍의 단벽을 포함한다. 여기서, 단벽은 장벽보다 작은 넓이를 가지게 된다. 몰드(30)의 벽들, 주로는 단벽들은 서로에 대하여 멀어지거나 가까워지도록 회전되어 일정 수준의 테이퍼(Taper)를 가질 수 있다. 이러한 테이퍼는 몰드(30) 내에서 용강(M)의 응고로 인한 수축을 보상하기 위해 설정한다. 용강(M)의 응고 정도는 강종에 따른 탄소 함량, 파우더의 종류(강냉형 Vs 완냉형), 주조 속도 등에 의해 달라지게 된다.
몰드(30)는 몰드(30)에서 뽑아낸 연주주편이 모양을 유지하고, 아직 응고가 덜 된 용융금속이 유출되지 않게 강한 응고각(凝固殼) 또는 응고쉘(Solidified Shell, 81)이 형성되도록 하는 역할을 한다. 수냉 구조에는 구리관을 이용하는 방식, 구리블록에 수냉홈을 뚫는 방식, 수냉홈이 있는 구리관을 조립하는 방식 등이 있다.
몰드(30)는 용강이 몰드의 벽면에 붙는 것을 방지하기 위하여 오실레이터(40)에 의해 오실레이션(oscillation, 왕복운동)된다. 오실레이션시 몰드(30)와 응고쉘(81)과의 마찰을 줄이고 타는 것을 방지하기 위해 윤활제가 이용된다. 윤활제로는 뿜어 칠하는 평지 기름과 몰드(30) 내의 용융금속 표면에 첨가되는 파우더(Powder)가 있다. 파우더는 몰드(30) 내의 용융금속에 첨가되어 슬래그가 되며, 몰드(30)와 응고쉘(81)의 윤활뿐만 아니라 몰드(30) 내 용융금속의 산화/질화 방지와 보온, 용융금속의 표면에 떠오른 비금속 개재물의 흡수의 기능도 수행한다. 파우더를 몰드(30)에 투입하기 위하여, 파우더 공급기(50)가 설치된다. 파우더 공급기(50)의 파우더를 배출하는 부분은 몰드(30)의 입구를 지향한다.
2차 냉각대(60 및 65)는 몰드(30)에서 1차로 냉각된 용강을 추가로 냉각한다. 1차 냉각된 용강은 지지롤(60)에 의해 응고각이 변형되지 않도록 유지되면서, 물을 분사하는 스프레이수단(65)에 의해 직접 냉각된다. 연주주편의 응고는 대부분 상기 2차 냉각에 의해 이루어진다.
인발장치(引拔裝置)는 연주주편이 미끄러지지 않게 뽑아내도록 몇 조의 핀치롤(70)들을 이용하는 멀티드라이브방식 등을 채용하고 있다. 핀치롤(70)은 용강의 응고된 선단부를 주조 방향으로 잡아당김으로써, 몰드(30)를 통과한 용강이 주조방향으로 연속적으로 이동할 수 있게 한다.
이와 같이 구성된 연속주조기는 래들(10)에 수용된 용강(M)이 턴디쉬(20)로 유동하게 된다. 이러한 유동을 위하여, 래들(10)에는 턴디쉬(20)를 향해 연장하는 쉬라우드노즐(Shroud nozzle, 15)이 설치된다. 쉬라우드노즐(15)은 용강(M)이 공기에 노출되어 산화 및 질화되지 않도록 턴디쉬 내의 용강에 잠기도록 연장한다.
턴디쉬 내의 용강(M)은 몰드(30) 내로 연장하는 침지노즐(Submerged Entry Nozzle, 25)에 의해 몰드(30) 내로 유동하게 된다. 침지노즐(25)은 몰드(30)의 중앙에 배치되어, 침지노즐(25)의 양 토출구에서 토출되는 용강(M)의 유동이 대칭을 이룰 수 있도록 한다. 침지노즐(25)을 통한 용강(M)의 토출의 시작, 토출 속도, 및 중단은 침지노즐(25)에 대응하여 턴디쉬(20)에 설치되는 스톱퍼(Stopper, 21)에 의해 결정된다. 구체적으로, 스톱퍼(21)는 침지노즐(25)의 입구를 개폐하도록 침지노즐(25)과 동일한 라인을 따라 수직 이동될 수 있다. 침지노즐(25)을 통한 용강(M)의 유동에 대한 제어는, 스톱퍼 방식과 다른, 슬라이드 게이트(Slide gate) 방식을 이용할 수도 있다. 슬라이드 게이트는 판재가 턴디쉬 내에서 수평 방향으로 슬라이드 이동하면서 침지노즐(25)을 통한 용강(M)의 토출 유량을 제어하게 된다.
몰드(30) 내의 용강(M)은 몰드(30)를 이루는 벽면에 접한 부분부터 응고하기 시작한다. 이는 용강(M)의 중심보다는 주변부가 수냉되는 몰드(30)에 의해 열을 잃기 쉽기 때문이다. 주변부가 먼저 응고되는 방식에 의해, 연주주편(80)의 주조 방향을 따른 뒷부분은 미응고 용강(82)이 응고쉘(81)에 감싸여진 형태를 이루게 된다.
핀치롤(70)이 완전히 응고된 연주주편(80)의 선단부(83)를 잡아당김에 따라, 미응고 용강(82)은 응고쉘(81)과 함께 주조 방향으로 이동하게 된다. 미응고 용강(82)은 위 이동 과정에서 냉각수를 분사하는 스프레이수단(65)에 의해 냉각된다. 이는 연주주편(80)에서 미응고 용강(82)이 차지하는 두께가 점차로 작아지게 한다. 연주주편(80)이 일지점(85)에 이르면, 연주주편(80)은 전체 두께가 응고쉘(81)로 채워지게 된다. 응고가 완료된 연주주편(80)은 절단 지점(91)에서 일정 크기로 절단되어 슬라브 등과 같은 주편(P)으로 나누어진다.
도 2는 도 1의 턴디쉬(20)를 위에서 본 사시도이다.
본 도면을 참조하면, 턴디쉬(20)는 래들(10)에서 출강되는 용강(M)을 수용하기 위하여 상부가 개구된 몸체(22)를 가진다. 몸체(22)는 외측에 배치되는 철피와, 상기 철피의 내측에 배치되는 내화물층을 포함할 수 있다.
몸체(22)의 형태는 다양한 형태, 예를 들어 일자형 등이 있을 수 있으나, 본 실시예에서는 'T'자 형인 몸체(22)를 예시하고 있다.
몸체(22)의 일부분에는 주탕부(23)가 형성된다. 주탕부(23)는 래들(10)의 쉬라우드노즐(15)을 통해 유동하는 용강(M)이 낙하되는 부분이다. 주탕부(23)는 그 보다 넓은 면적을 가지는 출탕부(24)에 연통될 수 있다.
출탕부(24)는 주탕부(23)를 통해 수강한 용강(M)을 몰드(30)로 안내하는 부분이다. 출탕부(24)에는 복수의 출강구(24a)가 개구될 수 있다. 각 출강구(24a)에는 침지노즐(25)이 연결되고, 이 침지노즐(25)은 턴디쉬(20)의 용강(M)이 몰드(30)로 유동하도록 안내한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 침지형 초음파 발생장치를 나타낸 도면으로, 초음파 발생장치(100)는 초음파변환기(110), 내화체(130) 및 고정블록(150)을 포함하여 이루어져 있다.
초음파변환기(110)는 턴디쉬(20)의 용강 또는 출강구(24a) 측으로 초음파를 발생한다. 상기 초음파변환기(110)는 초음파를 발생하는 압전소자 또는 초음파진동수단으로 구성될 수 있다. 초음파변환기(110)는 케이블 또는 와이어(121)를 통해 외부의 초음파발진기(125)에 연결되며, 초음파변환기(110)는 초음파발진기(125)로부터 초음파 발생을 위한 전원을 공급받아 20kHz 이상의 초음파를 발생한다.
내화체(130)는 초음파변환기(110)를 감싸는 원형 또는 다각형의 튜브 형태로 형성되며, 고온에서 침식되지 않는 내화물질로 형성될 수 있다. 여기서, 내화체(130)는 고온에서 침식되지 않는 Al2O3, ZrO2 및 MgO 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다. 바람직하게는 기공율이 10% 이하인 Al2O3 및 ZrO2 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
고정블록(150)은 내화체(130)의 상단면에 수평으로 돌출 형성되어 턴디쉬 커버(29)에 지지되며, 용강에 침지된 내화체(130)가 턴디쉬(20) 내에서 위치 고정되도록 한다.
그리고, 내화체(130)와 초음파변환기(110)의 사이 공간은 내화물(140)이 주입되어 충전될 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 초음파 발생장치(100)는 용강에 침지되는 타입이므로, 초음파변환기(110)의 외측은 내화체(130)로 감싸지게 된다. 초음파는 내화물의 기공율이 낮을수록 통과속도가 빠르기 때문에 내화물의 기공율이 10% 이하인 것으로 내화체(130)가 제작 및 사용되는 것이 좋다. 특히, 내화체(130)의 하단부(ⓐ)는 초음파 투과율을 높이기 위하여 기공율이 5% 이하인 ZrO2 물질과 같은 전용 내화물로 제조되는 것이 바람직하다.
일반적으로, 래들(10)에서 턴디쉬(20) 및 몰드(30)로 이어지는 연속주조 공정에서 용강 중의 산화성 개재물(Al2O3 계열)은 최종 제품에서 결함을 발생시키거나 연속주조 작업에 필요한 침지노즐(25) 및 스톱퍼(21) 등의 내화물 내벽에 부착되어 생산성을 저하시킨다. 이러한 산화성 개재물은 제강 공정의 탈산 과정에서 발생하거나 주입 과정 중 산소 혼입 등에 의한 용강 재산화에 의해 발생된다. 이러한 산화성 개재물은 제강 공정부터 연주공정 내내 용강 내부에서 제거해야 하는 대상이다. 턴디쉬 내 개재물을 제거하기 위해서, 턴디쉬 내부 형상을 변경하여 용강 체류 시간을 연장시키거나 Ar가스 등 불활성 기체를 주입하여 개재물의 부상 분리를 촉진하는 물리적인 방법이 사용되거나, 턴디쉬 내 슬래그의 조성을 제어하여 개재물 흡수 능력을 증대시키는 화학적 방법 등이 사용되고 있다.
턴디쉬(20)의 내부 형상을 변경하는 방법은 웨어/댐(Weir, Dam) 등 내화물을 별도로 제작하여야 하는데, 이들의 수명이나 형상 및 위치 관리가 중요하며, 주조 중에 용강이 채워져 있으면 관리가 불가능하다. 또한 용강 온도, 토출량 등 주조 조건에 따라 용강 유동이 계속해서 변화되기 때문에 정량적인 체류 시간에 대한 계산이 어렵다. Ar가스 주입은 노즐막힘 방지를 위해 보편적으로 사용되는 방법이지만, 주입 설비의 관리가 안 될 경우에는 오히려 외기가 흡입되어 용강 재산화를 유발할 수 있으며, 몰드 내 유동 제어가 잘 안될 경우에는 슬라브 상의 기포성 결함을 발생시킨다.
슬래그의 조성 제어는 가장 많이 사용되고 있는 방법이지만, 슬래그의 정확한 조성과 양에 대한 계측이 어렵기 때문에 주조 조건 변화에 따른 대응이 어렵다. 또한 동일한 턴디쉬(20)에서 연연주수가 늘어날수록 슬래그 내 개재물의 포집 능력이 감소하게 되어 연연주 후반부에 산화성 개재물에 의한 결함이 증가될 수 있다.
따라서, 본 발명과 같이 용강 내에서 개재물을 직접적으로 분해하는 시스템에 대한 개발이 필요하다.
본 발명에 의한 초음파 발생장치의 설치 및 작동을 도 4를 참조하여 설명한다.
먼저, 초음파 발생장치(100)는 턴디쉬 커버(29)의 상단에 고정 설치되어 내화체(130)가 용강에 침지된다. 이때 초음파 발생장치(100)는 고정블록(150)에 의해 턴디쉬 커버(29) 상에 고정될 수 있다. 초음파 발생장치는 턴디쉬 커버(29)에 설치될 때, 도 4에서와 같이 스톱퍼(21)에 인접하여 설치되는 것이 바람직하다.
턴디쉬 내 개재물은 웨어(26; Weir)와 댐(27; Dam)에 의해 턴디쉬(20) 내에서의 체류 시간이 연장되며, 이 과정에서 다수의 산화성 개재물은 탕면 슬래그층으로 부상되어 포집된다. 하지만, 일부의 개재물은 슬래그층에 포집되지 않고 용강 흐름에 따라 출탕부(24) 측으로 이동될 수 있다.
따라서, 스톱퍼(21)에 인접하여 설치된 초음파 발생장치는 출탕부(24) 측으로 이동되는 산화성 개재물로 초음파를 발생하게 되며, 초음파는 스톱퍼(21) 주변에 난류를 발생시켜 개재물의 부착이 어렵게 함과 아울러 용강 내 산화성 개재물과 스톱퍼(21)의 하단과 출강구(24a) 측에 부착된 개재물의 크기를 미세하게 분해하여 출강구(24a)와 스톱퍼(21)의 Ar가스 토출구의 막힘을 저감 또는 방지할 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 초음파변환기(110)에서 발생된 초음파가 용강으로 잘 전달되기 위해서는 내화체(130)가 초음파 투과율이 높은 내화물이 사용되어야 하며, 이를 위하여 기공율이 낮은 내화물이 적용되는 것이 바람직하다. 기공율이 낮을수록 초음파 통과 속도가 빠르기 때문에, 특히 내화체(130)의 하단부(ⓐ)는 기공율이 5% 미만인 내화물, 예를 들어 ZrO2 계열로 제조되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 초음파 발생장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
10: 래들 15: 쉬라우드노즐
20: 턴디쉬 21: 스톱퍼
23: 주탕부 24: 출탕부
24a: 출강구 25: 침지노즐
30: 몰드 40: 몰드 오실레이터
50: 파우더 공급기 51: 파우더층
60: 지지롤 65: 스프레이
70: 핀치롤 80: 연주주편
81: 응고쉘 82: 미응고 용강
90: 절단기 91: 절단 지점
100: 초음파 발생장치 110: 초음파변환기
121: 와이어 125: 초음파발생기
130: 내화체 140: 내화물
150: 고정블록

Claims (5)

  1. 턴디쉬 내의 용강 또는 출강구 측으로 초음파를 발생하는 초음파변환기; 및
    상기 초음파변환기를 감싸는 튜브 형태로 형성되며, Al2O3, ZrO2 및 MgO 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성되는 내화체;를 포함하는 침지형 초음파 발생 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 내화체의 하단부는 기공율이 5% 이하인 ZrO2로 형성되는 침지형 초음파 발생 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 내화체는 턴디쉬 내의 용강에 침지되며, 턴디쉬 내부 또는 출강구 측으로 초음파가 발생되도록 스톱퍼에 인접하여 설치되는 침지형 초음파 발생 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 초음파변환기와 내화체 사이의 공간에 내화물로 충전되는 침지형 초음파 발생 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 내화체의 상단부에 돌출 형성되어 용강에 침지된 내화체를 턴디쉬 커버 상에 고정시키는 고정블록을 더 포함하는 침지형 초음파 발생 장치.
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