KR910001175B1 - 비-산화성 분위기속에서 결정질의 스트립 직접주조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

비-산화성 분위기속에서 결정질의 스트립 직접주조방법 및 장치

제1도는 본 발명의 스트립 주조장치의 도식도.

제2도는 본 발명의 주조용기의 단면도.

제2a도는 제2도의 상세 단면도.

제2b도는 제2도의 또다른 상세 단면도.

제3도는 제2도의 주조용기의 평면도.

제3a도는 제3도의 주조용기의 단부도.

제4도는 본 발명의 주조용기의 선호된 실시예의 단면도.

제5도는 제4도의 주조용기의 선호된 실시예의 평면도.

제6도는 본 발명 주조용기단부의 선호된 실시예의 확대 단면도.

제7도는 본 발명에 따라 주조된 대표적인 304Type 합금의 현미경 확대사진.

제8도는 재래식 방법에 따라 제조된 대표적인 304Type 합금의 핫-롤 밴드(hot-roll band)의 현미경 확대사진

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 주조장치 12 : 용기

14 : 턴디쉬(tundish) 15 : 스트립(strip)

16 : 차단봉 17 : 도관(spout)

18 : 주조용기 19 : 용융금속

20 : 주조휠 22 : 입구

26 : 출구 28 : 바닥면

30, 34 : 측벽 31 : 내측면

33 : 윗면 36 : 물막이판

35,37 : 볼록면(meniscus) 38 : 지지외피

39 : 곡선부 40 : 단열층

42 : 라이너(liner)

본 발명은 용융금속으로부터 연속스트립(continuous strip)을 만드는 금속합금의 직접주조법과 그에 따른 장치에 관한 것이다. 특히 주조용기의 열린 출구를 통하여 용융금속을 공급하여 이동 주조표면상에 요망되는 두께의 연속스트립으로 응고시키는 것에 관한 것이다.

종래의 금속스트립의 제조시에, 이러한 방법은 요망되는 두께와 품질의 스트립을 만들기 위하여 용융금속을 인고트(ingot), 혹은 빌레트(billet) 혹은 슬랩(slab)형상으로 주조한 후 1회 이상의 열간압연과 냉간압연단계뿐만 아니라 다양한 공정중의 어느 단계에서 산세와 소둔을 하는 단계를 포함한다. 연속스트림의 제조 특히, 주조시 두께가 0.010-0.100인치(0.0254-0.254cm) 범위의 연속스트립의 제조비용은 종래방법의 제조공정중 일부를 없앰으로써 감소될 수 있다. 주조된 스트립은 종래의 방법대로 냉간압연, 산세 및 소둔하여 최종두께 0.002-0.040인치(0.0051-0.102cm)로 제조될 수 있다.

스트립을 직접주조하기 위한 다양하고 많은 방법 및 장치가 알려져 있다. 이러한 방법의 대표적인 예로는 휠이나 연속벨트같이 빠르게 움직이는 급냉표면에 간격을 가로질러 계량용 오리피스(orifice)를 통해 용융금속을 분사하는 방법과; 금속의 용탕조속에 회전하는 급냉표면을 부분적으로 담그는 방법과; 수평연결벨트를 급냉층으로 사용하여 그 위에 용융금속이 흘러 응고되게 하는 방법 및 한쌍의 롤러사이에 용탕조를 갖추고 있는 주조방법등이 있다.

오리피스를 통하여 금속을 직접주조하는 것은 양호한 품질과 구조의 상업용 제품을 만들기 위한 방법으로써 오랜동안 시도되어 왔다. 1871년 2월 21일자의 미국특허 제112,054호는 오리피스를 통해 용융금속을 회전주조휠에 가압방출하여 평평한 납땜선 제조방법을 발표했다. 또한 1908년 12월 1일 등록된 미국특허 제905,758호는 용기의 하단에 있는 출구로부터 용융금속을 뽑아내어 주조표면으로 보내는 방법을 발표했다.

1910년 10월 24일자 영국특허 제24,320호는 이동주조휠과 접촉하는 관로를 통하여 흐르는 용융금속으로부터 금속판 또는 스트립을 제조하는 방법을 발표했다. 최근의 대표적인 시스템은 1970년 8월 4일 등록된 King의 미국특허 제3,522,836호로, 여기서 용융금속은 노즐로부터 나올때와 노즐 오리피스출구를 지나 이동할때 볼록면(convex meniscus)을 유지하여 재료를 연속적으로 빼내고 연속제품으로 응고시키는 방법을 발표했다. 상기 용융재료는 출구에서 정적평형이 유지되며 중력에 의해 이동표면과 연속접촉된다. 1980년 9월9일 등록된 Narasimhan의 미국특허 제4,221,257호는 가늘고 긴 구멍으로된 노즐을 통해 이동하는 차가운 물체의 표면에 용융금속을 가압방출하는 방법에 관한 것이다.

오리피스 타입의 주조시스템은 일반적으로 두께가 약 0.010 인치(0.0254cm) 이하인 얇은 두께의 재료주조에 제한된다. 이러한 시스템은 이동하는 급냉표면의 두께제한을 초래하여 사용가능 재료도 노즐 오리피스로부터 공급될때 응고될 수 있는 재료로 한정되게 된다. 이러한 시스템은 적당한 스트립을 제공하기 위해 용융금속이 추출될 수 있는 상태보다 더많이 가열된 용융상태에서 오리피스로부터 급냉표면으로 초과량의 용융금속을 공급하고 이동시킨다. 용융금속의 공급비율을 감소시키거나 급냉표면의 속도를 증가시킴에 의해 이러한 상태는 극복될 수 있지만 결과적으로 두께는 감소된다.

결정질 스트립이 오리피스형 주조시스템과 결합하여 고속제조가 시도될때 통상적으로 제품의 품질은 더욱 나빠진다. 고속의 급냉표면상에 용융금속이 분사되거나 느린속도로 이동하는 수평벨트상에서 폭 전체로 흐르게될때 여전히 부분적인 용융상태로 공급원으로부터 급속히 멀어진다. 이러한 상태는 품질의 손상을 초래하는데 이는 스트립이 급냉표면과 인접한 면으로부터 급속히 응고하고 따라서 새로운 용융금속의 공급에 의해서만 조정될 수 있는 수축이 일어나기 때문이다. 이러한 새로운 용융금속의 공급이 없으면 스트립 조직내에서 균열이 급속히 전개되어 조직의 물리적 특성이 크게 저하된다. 노즐형상을 개선하여 오리피스형 주조에 따른 문제를 극복하려는 시도가 1981년 6월 23일 등록된 미국특허 제4,274,473호와 1981년 9월 22일 등록된 미국특허 제4,290,476호에 기술되어 있다. 오리피스형 주조의 결점은 오리피스가 용융금속량을 계량하여 스트립의 두께를 결정한다는 것이다. 더구나, 오리피스에 충분한 양의 용융금속을 공급하기 위해 비교적 높은 압력이 사용되고 주조휠로부터 용융금속을 담기위한 비교적 작은 이격거리도 스트립두께를 제한한다.

보다 두꺼운 스트립은 정적으로 공급되는 용융금속내로 회전하는 급냉휠을 담그는 것처럼 단일 급냉표면에서 매우 두꺼운 스트립이 응고되도록 하여 제조될 수 있다. 용융금속은 이 휠의 표면위에서 응고하여 용탕으로부터 잠길때까지 또는 표면으로부터 분리될때까지 계속 두꺼워진다. 용융금속의 새로운 공급은 오리피스형 주조에서와 같은 유효한 두께의 층의 응고와 일반적으로 연관된 균열현상을 피하게 한다. 더구나 이들 용량과 응고선단사이의 매우 급격한 온도구배는 보다 균일한 내부구조와 우수한 상부표면의 품질을 얻게한다.

이러한 담금방식으로부터 나타나는 결점은 약간 잠겨진 급냉휠의 끝부분 위에 용융금속이 응고하여 찬넬과 같은 구조를 가진 주조물을 만들게 되는 경향을 방지하는데에 어려움이 있다는 것이다.

더구나, 또다른 결점은 급냉휠이 용탕속으로 들어갈때 응고하는 스트립과 급냉휠의 표면사이가 균일하게 접촉하도록 보장하는 것이 어렵고 따라서 스트립 주조면의 표면품질이 불량하게 되는 결과를 초래한다. 이러한 어려움으로 긴밀한 접촉이 감소되거나 또는 없어질 경우에 보다 얇은 두께를 가지는 부분이 생성되는등의 스트립상에 두께변화가 생기게 된다.

다른 직접주조공정이 제안되기는 했으나 상업적인 공정으로 개발되지는 못했다. 예를 들면, 이동주조휠의 상단에 용융금속을 주입하면 불균일하고 불량한 가장자리를 갖는 품질의 스트립을 만들게 된다. 1911년 5월 30일자 미국특허 제993,904호는 용융금속의 높이보다 낮은 위치에 있는 쟁반모양의 제2용기의 아랫부분으로 중력에 의한 배출구를 갖추고 있는 용융금속의 제1용기를 포함하는 장치를 발표했다. 상기 용융금속은 오버플로우(overflow)를 통하여 제2용기를 통과하여 주조휠에 용융금속을 공급하게 되어 있다. 1968년 5월 7일 등록된 미국특허 제3,381,739호는 적셔진 표면주위로 액체를 흘리고 용융금속이 응고하는 이동 주조표면에 이르는 거리를 연결함으로써 쉬이트 혹은 스트립재료를 형성하는 방법을 발표했다.

현재 필요한 것은 상업적으로 유용하게 직접 스트립을 주조하되 주조표면의 품질이 종래의 방법으로 제조된 스트립과 비교될 수 있거나 혹은 더좋게 하는 방법을 제공하는 것이다. 직접주조의 방법 및 장치는 오리피스형의 주조시 보다 뛰어난 스트립을 생산해낼 수 있어야 하고 또한 담금주조방식, 수평연동벨트 급냉시스템 및 한쌍의 주조용 롤러를 사용하는 방식들을 포함하는 공지된 직접 주조공정보다 뛰어나야 할 것이다. 본 발명의 목적은 본 발명의 방법과 장치가 공지의 주조방법이 가지는 결점을 극복하는 것이다. 더구나 본 발명의 방법과 장치가 0.010-0.01 인치(0.0254-0.254cm) 혹은 그 이상의 비교적 두꺼운 스트립도 직접 주조할 수 있게 하는 것이다. 직접 주조스트립의 수축 및 균열에 기여하는 인자가 제거되어 스트립의 표면품질과 구조가 개선되는 것도 요망된다. 더우기 주조방법과 장치가 성업적제조에 적당하도록 제조비용을 낮추고 새로운 합금의 제조를 용이하게 하는 것도 요망된다. 직접 주조스트립은 양호한 표면품질과 가장자리 및 구조, 특성이 적어도 종래의 주조스트립정도는 되어야 한다.

본 발명에 따르면, 결정질금속의 연속스트립이 용융금속의 직접주조에 의하여 제조하는 방법이 제공된다. 본 발명은 주조용기의 출구의 일반적으로 U-형상인 구조로부터 주조용기에서 예정된 거리에 떨어져 있는 주조용기의 출구를 지나 일반적으로 상향이동하는 인접 주조휠위로 용융금속을 흐르게 함을 포함하고 있다.

본 발명의 방법은 용융금속위에 정의되고 U 형상구조의 폭을 가로질러 주조휠에 인접한 영역에 비산화성 분위기를 제공함을 포함한다.

또한 이 방법에 따른 장치는 주조휠과 예정된 거리에 있는 주조휠에 인접한 일반적으로 U 형상구조로된 출구를 갖추고 있는 주조용기로 구성된다. 이 장치는 이 지역에 비산화성 분위기를 제공하기 위한 장치를 포함한다.

제1도는 일반적으로 운반용기(12) 및 공급 턴디쉬(tundish)(14)를 포함하여 주조용기(18)에 용융금속을 공급하고 주조휠(20)상에서 용융금속을 직접 주조하여 스트립 혹은 판재(15) 상태의 연속제품을 제조하도록하는 주조장치(10)을 도시하고 있다. 용융금속(19)은 용기(12)로부터 턴디쉬(14)를 거쳐 주조용기(18)에 공급된다. 공급차단봉(16) 혹은 도관(spout)(17)같은 다른 적당한 장치가 주조용기(18)로 흐르는 용융금속의 흐름을 제어할 수 있다. 주조용기(18)는 입구와 주조휠(20)에 인접하게 배치된 출구부분을 가지며 실질적으로 수평으로 도시되어 있다.

주조용기(18)로 가는 용융금속(19)의 공급은 적당한 종래의 방법과 용기, 턴디쉬 혹은 용융금속 펌프같은 장치들에 의해 성취될 수 있다. 용기(12) 및 공급 턴디쉬(14)는 공지된 설계에 따르지만 급냉휠에서 스트립을 제조하기 위하여 주조용기(18)에 적당량의 용융금속을 공급하기에 알맞도록 구성해야 한다.

주조휠(20)은 종래의 것을 사용하고 연속벨트 혹은 주조휠 어느것이라도 좋다. 가급적이면 주조휠쪽이 좋다. 주조휠의 구성은 본 발명을 좌우할 만큼 중요하지는 않으나 어떤 종류의 휠은 다른 종류의 휠보다 양호한 결과를 가져올 수도 있다. 본 발명의 방법과 장치는 구리, 탄소강 및 스텐레스강으로된 주조휠을 사용했다. 주조휠이 일정한 속도로 주조용기를 지나 이동될 수 있어서 용융금속을 스트립형상으로 응고시키기에 충분한 열을 뺏을 수 있는 필요한 급냉비율을 갖추게 하는 것이 중요한 점이다. 주조휠(20)은 주조용기(18)에 대하여 분당 20-500 피트(약6-152m), 가급적 50-300 피트(약15-91m)의 속도로 이동가능하며 이러한 속도는 결정질재료의 상업적 제조에 적당하다. 주조휠(20)은 용융금속을 급냉시키도록 충분히 빠르게 냉각되어, 용융금속으로부터 열을 빼앗아 결정질형상의 스트립응고가 이루어지도록 해야 한다. 장치(10)의 주조휠(20)에 의하여 제공되는 급냉비율은 초당 10,000℃보다 작아야 하며 대체로 가급적 초당 2,000℃보다 작아야 한다.

주조휠에 있어서의 두가지 중요한 점은 주조휠이 용기(18)의 출구를 지날때 일반적으로 상향 이동방향을 가진다는 것과 출구(26)에 자유면을 가진 용탕(free surface molten metal pool)을 가진다는 점이다. 출구(26)에서 용탕의 자유면은 주조스트립의 상부표면의 품질을 양호하게 개선하는데 필수적이다. "자유"란 용어는 상부표면이 구조물에 의해 한정되지 않음을 뜻한다. 즉, 용기구조물과 접촉하지 않고 입구(22)와 출구(26)사이의 용탕 자체의 표면높이로 스스로 유지된다는 것을 의미한다. 일반적으로 용융금속의 통로는, 출구의 용융금속 자유면에서의 금속흐름의 방향과 주조용기(18)의 출구의 자유면에서의 주조휠의 이동방향사이를 측정했을때, 수평으로부터 또 금속흐름의 방향에서 약 0°에서 135°의 사이각 θ로 배열된다. 주조휠에 대해서는, 주조표면의 통로가 용기(18)의 출구에서 자유면에 접한다. 가급적 이 각도는 수평으로부터 0-45°각이 좋다. 주조휠에 대해, 용융금속의 자유면이 주조휠의 상단 가까이에 있을때는 용기가 휠의 상부 4분원내에 인접위치하고, 각은 약 0°위치에 있다.

주조용기(18)는 본 발명의 방법과 장치에 필수적인 것이고 용기(18)의 단면도인 제2도에 상세히 도시되어 있다. 주조용기(18)는 주조휠(20)에 가깝게 그리고 실질적으로 수평이 되도록 배치되어 있고, 아래에 언급된 보온 및 내화재료로 구성되어 있다. 이런 배열은 주조휠(20)에 필요한 용융금속의 균일하고 완전 전개유동(fully developed flow)을 제공하는데 필수적이다. 용기(18)는 후방단면에 입구(22)와 출구(26)를 포함한다. 가급적 입구(22)와 출구(26)는 입구(22)에서 출구(26)로 흐르는 금속흐름방향에 수직으로 측정될때 동일한 단면적을 갖거나 혹은 출구(26)가 더 큰 단면적을 갖도록 한다. 입구(22)는 출구(26)보다 깊어서 도관(17)에서 들어오는 용융금속(19)을 받아들이는데 용이하고 출구(26)로 가는 용융금속 흐름의 전개를 용이하게 한다.

용기(18)의 출구(26)는 일반적으로 U-형상구조로 되어 있고 제3도에서 도시한 바와 같이 바닥면부분(28)과 측벽(30)으로 정의된다. 측벽(30)은 내측에 수직내측면을 가질수 있으며 가급적 U-형상구조의 측벽(30)의 내측면(31)은 상부로 확산형으로 열려 있어서 금속흐름을 용이하도록 한다. 약간의 구배는 출구(26)로부터의 금속흐름을 증진시키지만 그러나 너무 급한 구배는 표면장력의 조절력을 상실하여 용융금속이 범람하게 된다. 측벽에 대해 10°보다 작은 구배, 가급적 1-5°의 구배를 갖도록 한다.

출구(26)는 바닥면(28)을 포함하는데 이면은 용융금속이 출구로부터 균일유동을 하도록 충분한 거리를 가진 일반적으로 평평한 내측부분을 가지고 있다. 금속흐름의 방향에서 측정할때 평평한 바닥면의 길이는 가급적 출구(26)에 담겨질 용탕의 깊이와 같거나 길게 한다. 되도록 깊이 대 길이의 비율은 1:1 이상으로 한다. 출구(26)는 바닥면(28)의 평평한 길이 전체에 걸친 높이와 폭이 일정하거나 혹은 균일한 칫수로 되어 있다. 두개의 측벽(30) 내측면 (31)간의 출구(26)의 폭은 용탕의 자유표면을 따라 측정될 경우 대략 주조될 스트립의 넓이이다. 출구(26)는 주조휠에 실질적으로 평행한 U-형상구조를 구성하는 바닥면(28)의 끝과 측벽(30)의 가장자리이며 주조휠(20)에 인접하여 위치한다. 입구(22)와 출구(26) 사이의 유동을 용이하게 하기 위하여 입구(22)와 출구(26) 사이를 연락하는 중간부분(24)이 구비되어 출구(26)에서 균일유동이 되도록 해야 한다. 출구(26)에 이르는 입구(22) 전길이를 통하여 중간부분(24)은 균일한 가로단면을 유지하는 것이 좋다. 제3도에 도시된 중간부분(24)은 제2도에서 도시된 바와 같이 입구(22)에서 출구(26)로 점차 증가하는 폭을 가지고 깊이는 점진적으로 감소하여 길이전체를 통하여 균일한 가로단면적을 유지하도록 되어있다. 중간부분(24)은 용기의 깊이가 입구(22)에서 출구(26)까지로 점차 감소하는 구배를 가진 바닥면(32)으로 이루어질 수 있다. 이와 유사하게, 중간부분(24)은 바깥쪽으로 부채 모양으로 퍼져서 좁은 입구로부터 넓은 출구(26)로 폭이 점진적으로 증가를 하는 하나이상의 측벽(34)을 가지게 된다. 제2도는 주조용기(18)의 평면도로, 중간부분(24)의 측벽(34)을 확대하여 도시하고 있다.

제2도의 물막이(weir) 혹은 물막이판(36)이 주조용기(18)내에 이를 테면, 중간부분(24) 또는 출구(26)로 몰입되는 부분근처에 사용되어 균일유동의 전개를 용이하게 한다. 물막이판(36)은 내화물 혹은 내열재로 만들어져야 하며 또한 용융금속에 대한 내부식성을 구비해야 한다. 묽은 교질(colloid)의 실리카 현탁액으로 처리된 카오울 내화판(kaowool refractory board)이 좋다. 물막이(36)는 용기의 폭의 일부분 혹은 전폭을 가로질러 연장된다. 제2도에서 도시한 바와 같이 가급적 주조용기(18)의 입구(22)에서 용융금속표면 높이는 출구(26)에서의 용융금속과 거의 동일한 높이에 있다. 물막이(36)는 균일한 완전 전개유동(full-developed flow)의 진행을 용이하게 하고 표면산화물과 슬래그의 이동을 제한하도록 흐름을 조절하는데 유용하다.

제2a도 및 제2b도는 주조될 스트립의 표면을 형성하기 위하여 유동중인 용융금속의 표면장력을 이용함을 도시하고 있다. 제2a도는 주조휠(20)에 인접한 출구(26)의 부분단면에 대한 상세단면도이다. 출구(26)로부터 흐르는 용융금속은 U-형상구조의 바닥면(28)의 내측면과 주조휠사이에서 볼록면(35)을 형성하여 유지한다. 볼록면(35)을 형성하는 표면장력은 주조될 스트립(15)의 바닥을 형성한다. 출구(26)에서의 용량의 자유표면의 표면장력은 용융금속이 스트립제품을 형성할때 U-형상구조의 용융금속의 상단에서 곡선부(39)를 형성한다.

제2b도는 주조휠(20)에 인접한 출구(26)를 도시하고 있는데 출구(26)아래에서 바라다볼때 주조휠과 출구사이의 금속(19)이 응고함을 보여준다. 용융금속(19)의 표면장력은 바닥면(28)에 가까운 측벽(30)의 내측면(31)내의 주조휠(20)과 출구(26)사이에서 볼록면(37)을 형성한다.

주조용기(18)의 실시예는 제4도 및 제5도의 단면도와 평면도에서 각기 도시되어 있다. 용기(18)는 외부금속 지지외피(38)와 단열층(40) 및 주조용기(18)의 내측면을 형성하고 주조시 용융금속과 접촉하는 라이너(liner)(42)를 갖추고 있음을 보여준다. 용기(18)구조물은 용융금속에 대해 내부식성을 가지며 단열재인 내화재료로 제조되어야 한다. 주조용기는 주조휠(20)상의 요망되는 주조위치에 용기를 위치하게 하고 방향을 맞추도록 적절한 테이블 또는 장치에 고정될 수 있다. 주조용기(18)의 출구(26)는 주조휠에 U-형상구조의 윤곽을 형성하고 정의하는 바닥면(28)과 측벽(30)의 윗면(33)을 갖추어야 한다. 이것은 60 혹은 100 그릿(grit ; 거친 정도를 표시하는 단위)의 탄화규소 연마지를 주조휠과 용기조립체사이에 끼우고 연마지를 용기(18)에 문질러 가장자리를 휠에 평행하게 함에 의해 간단히 될 수 있다. 주조용기(18)의 윗면(33)은 지르코니아 시멘트를 브러쉬로 칠한 뒤 주조전에 건조한다.

제4도와 제5도는 본 발명의 주조용기의 실시예를 도시한 것으로 4 인치(10.16cm)로부터 최대 13 인치(33.02cm)까지의 스트립주조에 유용하고 48인치(121.92cm)폭까지 사용할 수도 있다. 금속성의 지지외피(38)는 단열층(40)에 사용된 재료형태에 따라 사용된다. 단열층(40)은 가요성 세라믹 시멘트 단열재이고 이것은 지지외피(38)같은 외부지지가 필요하다. 대안으로서, 만약 표면내화벽돌이나 블록이 사용되어 요망되는 형태로 접착 성형될 경우 적당한 내부 및 외부칫수가 얻어지도록 베어내게 되며 미때 지지외피(38)는 필요없게 된다. 용기(18)는 주조용 세라믹 재료로 형성된 단일체형상일 수도 있다. 주조용기(18)의 내측면의 라이너(42)는 단열내화재로서 용융금속에 대해 내식성이 있는 재료로 제조된다. 알루미나 함량이 많은 섬유질 규산염 조성물(high alumina fiber-silicate composition)로된 단열재 즉, 화이버 후렉스(Fiberfrax)란 상표를 갖고 있는 재료따위가 유용하다는 것이 알려져 있다. 상기 조성물은 묽은 교질상의 규산염 현탁액속에 담겨지고 주조용기(18)속에서 외형이 형성된 뒤에 실제 사용전에 건조된다.

제4도와 제5도는 후방으로 경사지게 주조용기(18)의 내측면으로부터 용기(18)의 외벽까지 연장하는 경사진 면을 포함하는 후방 오버플로우부재(44)를 도시하고 있다. 오버플로우부재(44)의 높이는 용융금속의 최대 높이를 결정한다. 상기의 용융금속의 높이는 입구(22)에 있는 것이고 따라서 주조용기의 출구(26)내의 용융금속 높이이다. 오버플로우부재(44)는 주조용기(18)에서의 용융금속 표면높이의 조절을 용이하게 한다. 이것은 주조스트립의 두께와 품질의 조절에 필수적인 것이다.

또한 제4도에서는 주조용기(18)의 중간부분(24)의 부근에서 선택적으로 덮개(46)를 포함하는 주조용기(18)를 도시한다. 덮개(46)는 바닥(52)과 연결된 하향연장벽(48)(50)을 포함한다. 하향연장벽(48)(50)은 제2도에서 도시된 물막이판과 유사하다. 덮개(46)는 주조용기(18)가 주조된 것과 유사한 구조를 가지는 지지외피(38), 단열층(40)과 라이너(42)를 포함할 수 있다. 덮개(46)는 중간부분(24)부근에서 주조용기(18)의 폭의 일부분 혹은 전폭을 걸쳐 가로질러 연장될 수도 있다. 주조용기(18)내의 용융금속의 열을 유지하는데 유용한 덮개(46)가 출구(26)에서 용탕의 자유면을 유지하기 위하여 입구(22)와 출구(26)에서 용융금속과 접촉하지 않도록 하는 것이 중요하다. 또 덮개가 입구(22)의 전부 혹은 일부분을 덮어 그안에 비산화성 분위기를 수용하도록 한다.

제6도는 또다른 실시예를 도시하는 것으로 이곳에서의 용기(18)의 출구(26)가 주조휠(20)에 인접한 출구의 U-형상구조의 전폭에 걸쳐 용융금속위의 정의된 지역에 비산화성 분위기를 공급하는 수단과 함께 이 지역에 용융금속을 복사냉각하는 수단을 갖추고 있다. 상기 두 특징은 각기 별도로 갖춰지거나 복합적으로 갖춰질 수도 있다.

비산화성 분위기를 공급하기 위한 수단은 출구의 U-형상구조내의 용융금속지역에 불활성 혹은 환원성 기체의 보호카바 혹은 덮개를 구비한다. 이 기체는 용융금속의 상부표면에 슬래그 및 산화물의 형성 혹은 축적을 최소로 하거나 막아주는데, 이러한 산화물이 주조시 주조스트립속으로 들어갈 수도 있다. 상기 비산화성 분위기는 정체해 있거나 순환되는 기체이다. 가급적 주조용기(18)의 출구(26)쪽 용탕위의 지역에 접촉하지 않는 덮개와 하나이상의 가스노즐 혹은 수개의 가스노즐(56)은 주조스트립의 반대방향으로 불활성 기체 혹은 환원성 기체를 연속적으로 흐르게 한다. 이 기체는 스트립이 몰입되는 부분의 용탕상단의 지역에 기체가 부딪치도록 유입된다. 실시예에서 용탕윗쪽의 지역을 밀봉하기 위한 보호덮개가 갖추어져 있을 수도 있으며 이 덮개는 스트립을 형성할때 산소를 밀어내기 위하여 기체의 흐름속으로 유입된 불활성 혹은 환원가스로된 보호막을 포함한다. 수개의 좁은 가스노즐(56)이 주조스트립의 폭을 따라 배치되어 기체의 흐름 혹은 제트(jet)가 용탕으로 스트립으로 몰입되는 지역을 부딪치도록 한다. 노즐(56)은 형성될 스트립의 평면과 가급적 20°-30°각을 갖도록 스트립주조방향의 역방향으로 배열된다. 가스보호막으로는 수소, 아르곤, 헬륨 및 질소중에서 선택하여 주조시에 형성될 산화물을 최소화하는 가스를 선택하는 것이 좋다. 노즐(56)로부터의 속도는 매우 작아야 하며 높은 속도는 용탕의 상부표면을 교란시켜 주조스트립에 손상을 주게된다.

이 지역에서 용융금속을 복사냉각시키는 방법으로서 용융금속의 상단표면으로부터 열을 빼앗기 용이하게 하기 위해 이 지역부근에 냉각제를 공급하는 방법도 있다. 용융금속으로부터 복사열을 제거하도록 냉각제는 용융액체위에 위치한 냉각튜브(54)에 의해 제공될 수 있다. 물 또는 다른 액체가 냉각제로 사용될 수 있다. 내화재료 및 시멘트로된 주조용기의 상단에 밀봉된 일련의 냉각튜브(54)를 포함하는 하나의 덮개가 가급적 갖추어진다. 출구(26)의 U-형상구조에서 주조휠 위로 용융금속이 흐를때 용융금속의 상부표면의 복사냉각은 응고하는 용융금속의 상부표면으로부터 열방출을 증진시켜 스트립에서 수지상조직(dendritic structure)의 성장을 조절함으로써 표면의 품질과 구조를 개선한다.

비산화성 분위기를 공급하는 방법과 복사냉각을 위한 방법을 가급적으로 복합시켜 사용한다. 출구(26)에서 용융금속위에 밀폐지역을 위한 비접촉덮개는 용융금속으로부터 복사된 열을 제거하기 위한 냉각수단과 비산화성 분위기 제공수단을 포함한다. 덮개는 일련의 냉각튜브(54)와 일련의 가스노즐(56)을 포함한다. 이 실시예에서 불활성가스는 튜브(54)에 의해 냉각되고 이것은 복사열 제거보다 용이하게 한다. 냉각튜브(54)를 포함하는 덮개는 스트립제품위를 침전될 수 있는 산화물 혹은 슬래그의 형성을 감소시키기 위해 윗부분을 밀폐한다.

본 발명의 주조장치의 운전중에 있어서, 용기(12), 턴디쉬(14) 및 주조용기(18)는 스트립재료 제조를 위해 주조용기(18)속으로 용융금속을 유입시키기 전에 작동온도로 예열된다. 기존의 모든 가열수단이 사용가능하다. 공기-아세틸렌 혹은 공기-천연가스 가열기가 입구(22)에 위치하고 주조휠(20) 근처에 놓여질 주조용기의 U-형상구조의 가장자리에 위한 예열용 덮개도 제공된다. 용융된 스텐레스강의 구조를 위한 정상 예열온도는 1900-2000℉(1038-1093℃) 정도이다. 요망되는 최저 예열온도까지 도달된 후 가열기는 제거되고 용기(18)는 주조휠에 인접한 5-20mil(0.13-0.51mm) 정도의 미리설정된 이격거리에 위치된다.

용융금속으로부터 연속스트립으로 합금을 직접 주조하는 방법을 시작함에 있어서, 용융금속(19)은 래들(ladle) 혹은 용기(12)로부터 턴디쉬(14)로 공급되고 이후 실질적으로 수평으로 놓인 주조용기(18)로 공급된다. 공급 턴디쉬(14)로부터 주조용기(18)로의 용융금속흐름은 주조용기(18)의 후방의 공급부분 혹은 입구(22)속으로 유입된 도관(spout)(17)과 차단봉(16)같은 밸브장치에 의해 조절되고 제어되게 된다. 용기(18)가 용융금속으로 채워지기 시작함에 따라 용융금속은 용기의 출구방향으로 흐르기 시작하고 제2도에서 도시된 바와 같은 중간부분(24)을 통하여 출구(26)방향으로 흐른다. 주조용기(18)는 용기(18)의 출구(26)로 용융금속을 장입할 수 있도록 용융금속의 흐름을 허용한다. 주조용기(18)는 제2도에서 도시한 바와 같은 물막이(36)를 포함하여, 출구(26)에서 균일한 완전 전개유동(fully-developed flow)을 용이하게 얻기 위하여 용융금속(18)의 흐름을 조절하도록 한다. 용융금속은 입구(22)에서부터 출구(26)에 이르도록 균일한 단면적을 유지하여 균일유동이 되도록 한다. 일반적으로 출구(26)는 입구(22)보다 폭이 넓으며 U-형상구조의 폭은 주조될 스트립의 폭과 거의 같다. 주조용기(18)는 구배를 이루며 부채 모양으로 퍼진 중간부분으로되어 있는 주조체적을 가지고 있다. 주조용기(18)는 용기내에서 용융금속의 횡류를 방지하도록 설계되어 있으며 동시에 출구(26)에 U형상구조의 폭을 가로질러 출구(26)으로부터 균일한 난류유동을 발전시켜서 완전 전개유동을 하는 용탕 전체가 입구(22)로부터 출구(26)을 향하는 방향으로 일정속도를 가지게 설계되어 있다. 출구(26)에서의 용융금속의 수위는 비록 용융금속의 깊이가 출구에서 낮아지더라도 입구(22)에서의 수위와 거의 동일하다.

용융금속은 계속 용융금속의 균일유동이 출구의 U-형상구조의 폭을 가로질러 주조휠(20)에 닿도록 용융금속이 출구(26)에서 주조휠(20)위로 연속적으로 흐른다. 출구에서의 용융금속은 상부표면에만 표면장력을 가지며 개구부를 떠난 용융금속은 가장자리에도 표면장력을 가져서 이것이 부분적으로 주조스트립(15)의 상부표면 및 가장자리를 형성한다. 바닥면은 표면장력때문에 U-형상구조의 바닥면의 내측과 주조휠사이에 볼록면 형태로 형성된다.

비록 이론에 의존할 의도는 없으나 용기(18)의 출구를 떠난 용융금속의 응고는 용융금속이 용기(18)의 출구(26)의 U-형상개구부의 바닥을 떠난 후 용융금속이 주조휠과 접촉함과 동시에 개시되었다. 스트립은 용기(18)이 출구에서 주조휠에 공급된 용탕으로부터 응고되며 응고하는 스트립은 용기(18)의 출구(26)을 떠날때까지 용융금속을 과잉공급상태로 연속적으로 제공하여 일정두께를 형성한다. 이러한 용탕은 용융금속이 이동하는 주조휠(20)과 접촉함에 따라 스트립두께의 실질적인 부분을 형성하게 되며 표면장력으로 인한 곡선부(39)에 인접한 용기(18)로부터 응고되는 스트립이 꺼내질때 스트립 두께중의 적은 부분만이 응고된 용융금속으로부터 형성되는 것으로 믿어진다. 스트립두께의 70% 이상 혹은 80% 이상이 볼록면(35)의 근처에 제공된 용탕으로부터 얻어지는 것으로 추산된다. 용융금속은 용기(18)의 출구(26)의 U-형상구조의 바닥면으로부터 주조휠까지 제공된 용탕의 바닥으로부터 응고한다.

주조휠(20)은 출구(26)의 U형상개구부의 바닥으로부터 개구부의 열린 상단부를 향해 주조용기(18)를 지나 이동한다. 주조휠의 속도와 주조휠(20)상의 용기(18)의 위치는 주조스트립의 두께와 좋은 품질을 얻기위하여 선정된 결정인자이다. 주조용기(18)는 주조휠의 상단 4분원상에 위치된다.

본발명의 방법에 의하면 중요한 몇개의 인자가 있다. 0.01-0.06 인치(0.025-0.152cm)의 범위에 있는 요망되는 두께의 금속스트립을 주조하고 양호한 표면품질과 가장자리 및 조직이 양호한 스트립을 주조하는 능력을 좌우하는 몇개의 인자를 제어하는 것은 중요하다. 주조휠상으로 흐르는 용융금속의 조절, 주조휠의 속도, 용탕의 바닥으로부터의 응고, 용탕내의 용융금속의 조절된 깊이 및 용융금속의 표면장력을 유지하게 하기 위한 주조휠로부터의 이격거리들은 중요한 상호 연관된 인자들이다.

본 발명을 좀 더 상세히 이해하기 위해 아래의 실시예를 기술한다.

[실시예 I]

일반적으로 제2도에서 도시된 바와 같은 구조를 가지지만 출구(26) 가까이에 단 하나의 물막이판(36)을 가지는 주조용기가 알루미나-실리카 조성재료인 카오울(Kaowool) 내화성 강화블록으로 구성되었다. 이 주조용기를 교질의 규산 현탁액에 잠그어 처리한 뒤에 250℉(121℃)에서 밤새 건조한 후 한시간동안 공기중에서 2000℉(1093℃)로 가열하였다. 블록이 절삭되어 형태를 이룬 후, 카오울 시멘트의 얇은 층으로 도포되었다. 용기는 휠윤곽에 맞도록 성형되고 U-형상구조는 지르코니아 시멘트의 얇은 층으로 도포된다. 물막이에도 유사한 조성물이 사용되었다. 이후 주조용기는 공기 아세틸렌 가열기로 가열된다. 용기(18)의 길이는 입구(22)로부터 출구(26)까지 8.75 인치(22.23cm), 입구(22)에서의 폭이 6.5 인치(16.51cm)이며, 출구(26) 바닥면(28)에서의 폭은 약 4 인치(10.16cm)였다. 304 타입의 합금인 용융금속이 1580℃에서 부어져서 용기(18)에 공급되어 입구(22)에서 약 1.75 인치(4.45cm) 깊이로 유지되고, 용기(18)의 출구(26)의 U-형상구조에서는 용융금속이 0.75 인치(1.91cm) 깊이로 되게 했다. 주조표면은 구리로된 주조휠이며 폭 7 인치(17.78cm), 직경 36 인치(91.44cm)로써 2000℃/초 이하의 냉각능력을 제공하였다. 이 주조휠은 각 θ를 약 40°로하고 용기(18)로부터 약 40mil(1.02mm) 이격된 용기(18)의 출구를 통과하여 분당 약250-300피트(76.2-91.4m)의 속도로 회전된다. 용기의 U-형상구조는 출구(26)의 측벽(30)의 내측면(31)이 윗쪽으로 열린 확산형이거나 혹은 경사진 형태를 가진다. 이 경사도는 내측면에 대해 약3°정도이다. 본 발명에 따라 약 100파운드(45.36kg)로 25회 주입되었고 결과는 성공적으로 약 4 인치(10.16cm) 폭과 16-18mil(0.406-0.457mm)의 균일한 두께를 가지며 상하표면이 균일하고 뒤틀림 또는 거칠음이 없는 평평한 가장자리를 가지는 스트립제품이 제조되었다.

[실시예 II]

제4도에서 도시한 바와 같은 구조의 주조용기가 지지외피(38)속에 알루미나 포말 내화물로된 단열층(40)과 카오울 내화물로 제작되었다. 라이너(42)는 입방 피트당 8파운드(약 3.6kg)의 밀도를 가진 0.5 인치(1.27cm) 두께의 화이버후렉스 재료로 제조되었다. 용기외부칫수는 15 인치(38.1cm) 길이에 주조용기(18)에서 18 인치(45.7cm) 폭이고 단면적은 출구(26)로 가면서 약간 증가되었다. 물막이판(36)은 실시예 I과 유사하게 만들어 배치되었고 용기(18)의 측벽들 사이에 접착되었다. 측벽(30)들의 내측면(31)은 각 측벽당 약3°정도 위로 벌어져 있거나 혹은 경사져 있다. 주조용기는 약0°의 각에서 약 35mil(0.89mm)의 이격거리에 고정되고 용융금속의 자유면은 주조휠의 정점에 가깝게 설치되었다. 본 발명에 따라 304 타입의 용융금속의 500 파운드(226.8kg)을 가지고 외경 12.75 인치(32.39cm), 두께 0.375 인치(0.953cm), 폭 48 인치(121.9cm)이고 내부에서 물분사(water spray)에 의한 냉각이 이루어지는 저탕소강의 이음매 없는 파이프로 되어 있는 주조휠위에서 84-97회의 주입이 시행되었다. 주조휠은 처음 10-15초동안은 약 200 FPM(61m/mil)의 속도로 회전하여 초기금속흐름이 넓게 퍼지기 용이하게 하고 이후 100 FPM(30.48m/min)의 속도로 낮추어져서 주조를 계속했다. 용융금속은 출구(26)에서 약 2 인치(5.08cm)와 입구(22)에서 2.75 인치(6.98cm)의 깊이를 유지했다.

또한 용기(18)는 제6도에서 도시한 바와 같이 복사냉각을 위한 장치와 헬리움(helium) 분위기를 제공하기 위한 장치를 가지는 덮개를 포함하고 있다. 냉각은 0.375 인치(0.95cm)의 외경을 가진 구리튜브를 통해 분당 약 3 갈론(11.36리터)의 물을 순환시킴에 의하여 이루어졌다.

주조된 스트립은 약 13 인치(33cm) 폭이었고 약 45mil(1.14mm)의 균일한 두께를 가지며 균일하고 매끈하여 균열이 없는 양호한 품질의 상부표면품질로 완성되었다. 이후 주조된 스트립은 질산/차아불소산(nitric/hypofluroicacid)속에서 산세되어 변형률 50%로 냉간압연 후 1950℉(1066℃)에서 5분동안 소둔처리 후 다시 유사한 방법으로 산세하고 5mil(0.127mm)까지 냉간압연 후 소둔했다. 소둔된 주조샘플의 실온의 기계적 성질을 종래의 방법으로 제조된 304 타입의 소둔된 열간압연밴드의 대표적인 성질과 비교하여 아래에서 도시하였다.

[표 1]

종래의 방법으로 제조된 304 타입 합금의 대표적인 혹은 평균실온에서 소둔열간밴드의 기계적 성질은 인장강도가 101.1 KSI(71.15kg/mm²)이고 항복강도가 43.8 KSI(30.79 kg/mm²)이며 2 인치(5.08cm)에서의 연신율이 57%이다.

제7도는 본 발명의 주조스트립의 현미경 확대사진으로 주입횟수번호 84-52로부터 대표적인 내부조직을 보이고 있다. 100배 확대시의 304 타입 합금은 스트립의 두께방향, 즉 상부에서 바닥면으로 향한 작은 기둥세포(columnar cells)로 이루어진 전형적 주조조직을 보여주고 있다. 이 방향은 스트립이 응고될때 스트립으로부터 열방출방향과 같다. 본 발명의 방법과 장치는 스트립에서 수지상조직의 성장을 조절하여 주조된 스트립을 종래의 공정대로 처리하여도 최종 스트립이 종래의 방법대로 제조된 스트립제품보다 우수하거나 또는 상응할만한 성질을 가지게 할 수 있다.

제8도는 100배 확대시 304 타입의 종래대로 제조된 열간압연밸브의 전형적 조직을 보여준다.

본 발명의 방법과 장치는 스트립제품의 두께가 증가하고 스트립의 폭이 증가함에 따라 보다 우수한 스트립조직을 만든다는 것이 관찰되었다. 4-6 인치(10.16-15.24cm) 폭의 스트립제품구조에서 가장자리 뒤틀림 경향을 최대폭 13 인치(33.02cm)까지의 넓은 폭에서도 더이상 나타나지 않는다. 본 발명의 방법과 장치는 용융금속으로부터 연속스트립으로 결정질 금속 스트립 또는 판재를 복잡하지 않고 직접적인 방법으로 주조하는 방법을 제공한다. 유한한 두께의 막이 응고되어 발생되는 수축 및 균열문제는 제거되었고 종래의 제조방법보다 우수하거나 또는 상응할만한 질의 비교적 두꺼운 스트립의 제조법에 제공된다.

본 발명의 방법과 장치는 스텐레스강과 규소강을 포함하는 여러가지 금속 및 합금에 유용한 것으로 나타났다.

Claims (7)

1. 용융금속을 결정질금속의 연속스트립으로 직접주조하는 방법에 있어서, 주조용기(18)의 출구(26)의 일반적인 U-형상구조로부터 인접한 주조휠(20)에 용융금속(19)을 흐르게 하고 ; 주조용기(18)로부터 예정된 거리에 있는 주조용기의 출구(22)를 지나 대체적으로 상방으로 주조휠(20)을 이동시키고 ; 주조휠방향으로 흐르고 있는 용융금속중 U 형상구조의 폭을 가로질러 주조휠(20)에 인접한 용융금속 상부에 정의된 지역내에 비산화성 분위기를 제공함을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 비산화성 분위기가 상기 지경속으로 직접 유입되는 가스흐름에 의해 제공됨을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 비산화성 가스의 흐름이 스트립의 폭을 따라 주조스트립의 역방향으로 흐름을 특징으로 하는 방법.
4. 용융금속으로 결정질의 연속스트립을 직접주조하는 장치에 있어서 ; 주조휠(20)과 ; 용융금속이 예정된 거리로 상기 주조용기(18)에 인접하고 있는 주조휠(20)상으로 흐르도록 하기 위한 U-형상구조를 가지는 출구(26)을 구비한 주조용기(18)와 ; 용융금속위에 형성되고 U-형상구조를 가로질러 주조휠(20)에 인접한 지역내에 비산화성의 분위기를 제공하는 장치를 포함함을 특징으로 하는 결정질의 스트립 직접주조장치.
5. 제4항에 있어서, 비산화성 분위기를 제공하는 장치가 스트립이동방향에 역방향으로 비산화성 가스를 방출하기 위한 하나이상의 가스노즐(56)을 포함함을 특징으로 하는 결정질의 스트립 직접주조장치.
6. 제5항에 있어서, 일련의 가스노즐(56)이 주조될 스트립의 폭을 따라 위치함을 특징으로 하는 직접주조장치.
7. 제4항에 있어서, 비산화성 분위기를 제공하는 장치가 비산화성 대기를 포함하는 지역을 밀폐하기 위한 장치를 포함함을 특징으로 하는 결정질의 직접주조장치.

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