KR100920172B1

KR100920172B1 - 진공 탈가스 장치 및 이를 이용한 진공 탈가스 방법

Info

Publication number: KR100920172B1
Application number: KR1020090017873A
Authority: KR
Inventors: 남상권
Original assignee: 대교엔지니어링(주)
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2009-10-06
Anticipated expiration: 2029-03-03

Abstract

본 발명은 래들 투 래들 방식을 이용한 진공 탈가스 장치 및 이를 이용한 진공 탈가스 방법에 관한 것으로서, 용강 내에 함유된 수소 가스 등을 신속하고 효율적으로 제거하여 강괴나 이로부터 제작되는 단조품 등의 조직을 향상시키기 위한 것이다.

본 발명에서는, 탱크 본체(210)와 탱크 커버(220)로 구성되어 바닥면 이하의 지중에 매설되는 것으로서, 탱크 본체의 측면에 진공펌프와 연결되는 배기포트(215)가 마련되고, 탱크 커버의 중앙부에는 주입관 수용부(223)가 형성되는 진공탱크(200); 상기 탱크 커버에 결합하는 것으로서 내부에 용강을 포함하는 정련래들(400); 상기 탱크 커버에 결합한 상기 정련래들로부터 주입되는 용강을 수용하는 것으로서 진공탱크의 내부에 안착되는 수강래들(300); 및 상기 진공탱크 양측의 상부 바닥면에 설치되는 레일(116)을 따라 왕복이동 가능하게 설치되는 것으로서, 구동모터(133)와 상기 구동모터에 의하여 회전하는 구동휠(114a)이 결합하는 이동 새들러(110), 상기 이동 새들러에 고정 결합하는 메인 프레임(120) 및 상기 이동 새들러 상에 상하로 운동가능하도록 설치되는 승강 프레임(130)을 가지는 탱크 커버 이송용 대차(140)를 포함하여 이루어지되, 상기 탱크 본체와 탱크 커버의 결합면 사이에는 링 형상의 커버씰(211a)이 위치하고, 탱크 커버와 정련래들의 결합면 사이에는 링 형상의 래들씰(222a)이 위치하는 것을 특징으로 하는 진공 탈가스 장치 및 이를 이용한 진공 탈가스 방법에 관하여 개시한다.

용강, 탈가스, 수소 박편화, 진공, 진공탱크, 진공탱크 본체, 탱크커버, 진공펌프, 커버씰, 래들씰, 탱크커버 이송용 대차, 이동 새들러, 메인 프레임, 승강 프레임, 리프팅 가이드, 서스펜더, 정련래들, 수강래들

Description

진공 탈가스 장치 및 이를 이용한 진공 탈가스 방법{A system and a method for degassing under vacuum condition}

본 발명은 진공 탈가스를 위한 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 래들 투 래들(laddle to laddle) 방식의 진공 탈가스를 위한 장치들의 조합인 진공 탈가스 장치와 이를 이용한 진공 탈가스 방법에 관한 것이다.

일반적으로 철광석과 코크스를 용광로에서 녹이면 불순물이 포함된 용선(쇳물)이 되는데 이러한 용선을 고철과 함께 고로에 투입한 후 외부에서 산소를 공급하여 주면 정련처리가 된 용강이 얻어진다. 이러한 용강은 강괴 형성공정이나 연속주조공정에 투입되어 각종의 철강제품을 만들게 된다.

강괴의 형성 공정에서는 일정한 형태의 주형을 만들고 그 속에 용강을 주입한 후 냉각시켜서 강괴를 만들고 분괴 공정에서 상기 강괴를 목적 반제품으로 제조한다. 강괴 제조시 용강을 주형에 주입하는 방식에 따라서 상주법(top casting, top pouring)과 하주법(bottom casting, bottom pouring)으로 나뉜다. 상주법은 주로 사이즈가 큰 강괴의 제작에 적용되며, 하주법은 주로 소형의 강괴제작에 적용되는데 상주법 중에서도 래들과 진공탱크를 결합한 후 진공상태에서 용강을 진공탱크 속의 주형에 주입하는 방식을 진공 상주입 방식이라 한다.

도 1은 종래의 진공 상주입 방식으로 강괴를 형성하는 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 종래의 진공 상주입 방식에 의한 강괴 제작시스템의 구조를 살펴보면 크게 용강(15)을 운반 및 공급하는 래들(10)과 용강(15)이 주입되어 냉각되는 기본틀인 주형(30)을 내부에 포함하는 진공탱크(20)를 포함하여 구성된다. 상기 진공탱크(20)에 래들(10)이 밀착결합한 후 진공펌프(40)가 작동하면 진공탱크(20)의 내부가 진공상태에 있게 되며 이때 래들(10)의 용강 배출구(12)로부터 주형(30)의 용강 주입구(32)를 통하여 상기 주형(30)에 용강(15)이 주입된다. 용강 주입이 완료되면 용탕면 상부에 발열 보온재를 투입하여 일정시간 경과 후 냉가되면 주형에서 냉각된 강괴를 분리하는 형발공정에 의하여 목적하는 강괴가 얻어지게 된다. 이러한 강괴는 후속의 서냉공정을 거친 후 구매처나 사용처로 송부된다.

이러한 강괴의 형성공정에서는 래들 정련 및 진공 탈가스(vacuum degasing) 공정이 수행되는데, 특히 고순도의 중량물 단조를 위한 강괴(ingot)를 제작하기 위해서는 탈가스 공정이 매우 중요하다. 탈가스 공정은 래들 정련 및 진공 탈가스 공정에 의하여 수행되는데, 래들 탈가스는 하주법에 의하여 강괴를 형성하는 경우에도 적용된다. 그러나, 이 공정에서는 탈가스가 래들 내의 용강의 표면에서만 이루어지기 때문에 탈수소 효율이 낮다는 문제가 있다. 그러므로, 오랜 시간동안 탈수소 공정을 진행해야 하는데 이럴 경우 생산성에 부정적인 영향을 준다. 큰 규모의 중량물 단조품의 경우 높은 수소 함량으로 문제가 되어 왔는데, 왜냐하면 보다 오랜 시간 동안의 열처리가 요구되며 이로 인한 조직 내의 수소가 수소 박편 현상(hydrogen flaking)을 초래하기 때문이다. 수소 박편화 현상은 중량 단조품이 상당량의 수소를 함유하고 탈가스를 위하여 오랜 시간 동안의 열처리를 요하는 경우에 발생한다. 그러므로, 부어진 용강에서 수소를 제거하는 작업이 필요하게 되며, 종래에는 주로 래들 정련노(laddle refining furnace)에서 래들 탈가스를 수행하였으나 전술한 바와 같이 이 방법은 반응 표면적이 상대적으로 매우 작기 때문에 탈가스 효율이 낮다는 문제가 있다. 따라서, 용강 내의 수소를 효과적으로 제거하기 위한 장치 및 방법의 개발이 요청되어 왔던 것이다.

본 발명의 목적은 용강 중에 포함되어 있는 질소나 수소 등의 조직 결함 유발성 가스를 신속하고 효율적으로 제거함으로써 반제품인 용강의 조직을 개선하며, 아울러 강괴를 사용하여 제작되는 고품질 중량 단조품 등의 기계적 성질을 개선하는 것이다.

이를 위하여 본 발명에서는, 정련래들 내의 용강에 함유된 각종 가스 등을 래들 투 래들 방식으로 신속하고 효과적으로 제거하도록 하는데 적합한 장치들로 구성된 일련의 장치 장치 및 이를 이용한 진공 탈가스 방법을 제공하고 한다.

전술한 기술적 과제의 해결을 위하여 본 발명에서는, 탱크 본체(210)와 탱크 커버(220)로 구성되어 바닥면 이하의 지중에 매설되는 것으로서, 탱크 본체의 측면에 진공펌프와 연결되는 배기포트(215)가 마련되고, 탱크 커버의 중앙부에는 주입관 수용부(223)가 형성되는 진공탱크(200); 상기 탱크 커버에 결합하는 것으로서 내부에 용강을 포함하는 정련래들(400); 상기 탱크 커버에 결합한 상기 정련래들로부터 주입되는 용강을 수용하는 것으로서 진공탱크의 내부에 안착되는 수강래들(300); 및 상기 진공탱크 양측의 상부 바닥면에 설치되는 레일(116)을 따라 왕복이동 가능하게 설치되는 것으로서, 구동모터(133)와 상기 구동모터에 의하여 회전하는 구동휠(114a)이 결합하는 이동 새들러(110), 상기 이동 새들러에 고정 결합하는 메인 프레임(120) 및 상기 이동 새들러 상에 상하로 운동가능하도록 설치되는 승강 프레임(130)을 가지는 탱크 커버 이송용 대차(140)를 포함하여 이루어지되, 상기 탱크 본체와 탱크 커버의 결합면 사이에는 링 형상의 커버씰(211a)이 위치하고, 탱크 커버와 정련래들의 결합면 사이에는 링 형상의 래들씰(222a)이 위치하는 것을 특징으로 하는 진공 탈가스 장치를 제공한다.

여기서, 상기 승강 프레임은 상기 이동 새들러 상에 설치되는 유압 실린더(112)에 연결되며, 상기 메인 프레임 상에 설치되는 리프팅 가이드(121)에 의하여 안내되어 상하로 운동하도록 할 수 있다.

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본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 용강 내에 포함된 가스를 제거하기 위한 탈가스 방법에 있어서, 가) 바닥면 이하의 지중에 매설된 진공탱크의 내부에 예열된 수강래들을 위치시키는 단계, 나) 진공탱크 양측의 상부 바닥면에 설치되는 레일을 따라 왕복운동하는 탱크 커버 이송용 대차에 의하여 탱크 커버를 진공탱크의 상부로 이동시켜 결합하는 단계, 다) 용강을 포함하는 정련래들을 탱크 커버의 상부로 이동시켜 탱크 커버와 결합하는 단계, 라) 진공탱크 내부의 공기를 배출하여 진공탱크 내부를 진공상태로 유지하는 단계 및 마) 정련래들 내에 포함된 용강을 진공상태를 유지하는 진공탱크 내부에 위치한 수강래들에 공급하여 용강중에 포함된 가스를 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진공 탈가스 방법이 제공된다.

여기서, 상기 마) 단계 이후에, 정련래들 및 탱크 커버를 제거하고 진공탱크 내에 위치한 수강래들을 진공탱크 밖으로 이동한 후 탈가스 된 용강을 주형에 주입함으로써 강괴를 형성하는 단계가 추가적으로 수행된다.

본 발명에 의하면, 래들로부터 직접 주형에 용강을 부어 강괴를 형성하는 것이 아니라 정련래들로부터 진공 상태하의 수강래들에 용강을 공급하는 과정에서 효율적으로 탈가스 공정을 수행하게 됨으로써 탈가스 공정 소요시간이 획기적으로 단축될 뿐 아니라 용강 중의 가스가 획기적으로 제거되어 수소 가스 등의 영향으로 인한 수소 박편화 현상 등을 방지할 수 있게 된다는 잇점이 있다.

특히, 금속 내의 수소 함량이 제품 결함과 직결되는 고품질 중량 단조품의 경우에는 본 발명의 장치와 방법에 의하여 탈가스를 수행하는 경우 조직 내 수소함량이 획기적으로 감소하여 결국 단조 제품의 조직 치밀성을 개선할 수 있게 되어 제품의 신뢰성과 내구성이 향상된다는 장점이 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작동원리를 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 진공 탈가스 장치의 외관 사시도이다. 본 발명의 진공 탈가스 장치(100,vacuum degassing system)는 기본적으로 크게 이동 새들러(110, moving saddler), 메인 프레임(120, main frame) 및 승강 프레임(130, lifting frame)으로 이루어지는 탱크 커버 이송용 대차(140, tank cover moving car), 진공탱크 본체(210)와 진공탱크 커버(220)로 이루어지는 진공탱크(200), 진공탱크(200) 내부에 위치하는 수강래들(300, receiving laddle) 및 정련래들(400, refining laddle)로 이루어진다.

도시한 것처럼, 진공탱크(200)는 바닥면에 형성되는 구덩이에 마련되며, 좌우로 한 쌍이 서로 대응하도록 형성할 수 있다. 상기 한 쌍의 진공탱크(200)의 양 측으로는 레일(116)이 각각 형성되며, 상기 레일(116) 상에서 이동 새들러(110)가 운동할 수 있도록 구성된다. 상기 이동 새들러(110) 상에는 메인 프레임(120)이 고정 설치되고, 승강 프레임(130)이 유압 실린더(112)의하여 상하로 운동할 수 있도로 설치된다. 상기 승강 프레임(130)과 진공탱크 커버(220)는 별도의 서스펜더(132)에 의하여 연결된다. 즉, 서스펜더(132,suspender)의 일단이 상기 승강 프레임(130)에 고정되고, 타단은 진공탱크 커버(220)의 상면에 다수개 마련되는 고정 브라켓(224)에 핀(133) 등의 체결수단에 의하여 착탈 가능하게 결합된다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 진공 탈가스 장치의 종단면도 및 부분 확대도이고, 도 4는 본 발명의 프레임과 이동 새들러의 장치 구성을 보여주는 측면도이고, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 탱크 커버의 단면도 및 부분 확대도이며, 도 6a 및 도 6b는 각각 탱크 커버씰 및 래들 씰의 평면도이다.

도 3a에 도시한 것처럼, 진공탱크(200)는 바닥면의 높이 이하로 오목하게 형성되는 구덩이 내에 마련되는 진공탱크 본체(210)와 상기 진공탱크 본체(210) 위에 얹혀지는 탱크 커버(220)로 이루어진다. 상기 탱크 본체(210)의 일 측면에는 탱크 내의 조건을 진공으로 하기 위한 배기포트(215)가 마련되며, 상기 배기포트(215)에는 미도시한 진공펌프가 연결된다. 도 3a의 A 부분을 확대한 도 3b에 도시한 것처럼, 탱크 본체(210)의 상면 테두리 부분에는 원주방향을 따라 커버 씰링홈(211)이 형성되고, 이 홈에 도 6a에 도시한 것과 같은 링 형상의 커버씰(211a,cover seal)이 장착된다.

상기 탱크 커버(220)는 도 5a에 도시한 것처럼, 후술할 정련래들(400)의 주입관(410)을 수용하기 위한 주입관 수용부(223)가 중앙에 형성되며, 진공탱크(200) 내부를 관찰하기 위한 카메라 등으로 구성되는 관측기구(228)가 형성된다. 도 5a의 C 부분의 확대도인 도 5b를 참조하면, 상기 탱크 커버(220)의 하방측 테두리에는 원주방향을 따라 씰링돌기(221)가 형성되어 상기 커버 씰링홈(211)에 장착되는 커버씰(211a)을 가압함으로써 탱크 본체(210)와 탱크 커버(220) 사이의 기밀을 유지한다. 도 5a의 D 부분의 확대도인 도 5c를 참조하면, 상기 탱크 커버(220)의 상부 중앙에 형성되는 주입관 수용부(223)의 상부면 테두리에는 그 원주방향을 따라 래들 씰링홈(222)이 형성된다. 상기 래들 씰링홈(222)에는 도 6b에 도시한 것과 같은 래들씰(222a, laddle seal)이 장착되는데, 정련래들(400)의 하단부 테두리에 원주방향을 따라 돌출되게 형성되는 씰링돌기(미도시)가 여기에 결합하여 상기 래들씰(222a)을 가압함으로써 정련래들(400)과 탱크 커버(220) 사이의 기밀을 유지하게 된다.

도 4에 도시한 탱크 커버 이송용 대차(140)는 레일(116) 상에서 이동하며 탱크 커버(220)와 정련래들(400)의 출입을 조절한다. 즉, 진공탱크(200) 내부에 크레 인 등을 이용하여 수강래들(300)을 안착시킨 후 이동 새들러(110)에 장착되는 승강 프레임(130)에 탱크 커버(220)를 연결한 후 탱크 커버(220)를 이동시켜 진공탱크(200)에 결합한 다음 용강을 담은 정련래들(400)을 크레인 등에 의하여 이동시켜 탱크 커버(220)에 결합하게 되는 것이다. 이에 관한 자세한 작동 절차는 후술한다.

도 4 및 도 3a의 B 부분의 확대도인 도 3c를 참조하면, 이동 새들러(110) 상에는 메인 프레임(120)이 고정 설치되고, 승강 프레임(130)이 이동 새들러(110) 상에 설치되는 유압 실린더(112)에 의하여 상하로 운동할 수 있도록 설치된다. 이를 위하여 메인 프레임(120) 상에는 리프팅 가이드(121)가 마련되어 승강 프레임(130)의 상하운동을 안내한다. 미도시한 부호 111은 유압 유닛을 나타낸다. 이동 새들러(110)의 레일(116) 상에서의 운동은 구동모터(113) 및 이와 동력 연결되는 구동휠(114a)에 의하여 수행된다. 상기 구동모터(113)의 회전력은 기어나 체인 등의 동력전달 수단에 의하여 이동 새들러(110)에 회전 가능하게 결합하는 구동휠(114a)에 전달된다. 도면에서 미설명부호 114b는 구동휠(114a)에 의하여 아이들링 회전하는 아이들 휠을 나타낸다.

이상과 같은 장치 구성을 가지는 진공 탈가스 장치를 이용하여 용강에서 수소 가스 등을 제거하는 공정을 단계별로 설명하면 다음과 같다.

먼저 1단계에서는, 예열한 수강래들(300)이 천정형 크레인 등에 의하여 이송되어 진공탱크(200) 내부에 안착된다.

2단계에서는, 이동 새들러(110)가 수강래들(300)이 위치하는 진공탱크에 인 접한 다른 진공탱크(200)의 상부에 위치하는 탱크 커버(220)가 있는 곳으로 이동한다. 이후 승강 프레임(130)을 하강시켜 탱크 커버(220)를 서스펜더(132) 등에 의하여 승강 프레임(130)에 연결한 후 승강 프레임(130)을 리프팅 한 상태에서 수강래들(300)이 위치한 진공탱크(200)의 상부로 이동한다. 진공탱크(200)의 상부에서 승강 프레임(130)을 하강시킴으로써 탱크 커버(220)를 정교하게 탱크 본체(210)의 상부면에 연결 결합한다.

3단계에서는, 탱크 커버 이송용 대차(140)가 후퇴하여 인접한 탱크 쪽으로 이동한 다음 용강을 담은 정련래들(400)이 크레인 등에 의하여 탱크 커버(220)의 상부로 이송된 후 탱크 커버(220)와 연결 결합된다.

4단계에서는, 진공탱크(200) 내의 공기가 외부의 진공펌프(미도시)에 의하여 배출되어 진공상태를 유지하게 된다.

5단계에서는, 정련래들(400)의 하부에 설치된 슬라이딩 게이트(미도시)가 열리고, 용강이 정련래들(400)의 주입관(410)으로부터 진공탱크(200) 내의 수강래들(300)로 부어진다. 이때, 용강이 진공 상태에 노출됨으로 인하여 용강 내에 용해되어 있던 일산화탄소, 질소 및 수소 등과 같은 가스들이 폭발적으로 팽창하고 그 결과 용강이 작은 방울들로 똑똑 떨어지게 되고 따라서 반의 표면적은 획기적으로 증가하게 된다.

마지막으로 6단계에서는, 정련래들(400)과 탱크 커버(220)가 각 진입시의 과정의 역순으로 제거되고, 강괴 형성을 위하여 용강을 담은 수강래들(300)이 크레인 등에 의하여 후공정으로 이송된다.

도 1은 종래의 진공 상주입 방식으로 강괴를 형성하는 구조를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 의한 진공 탈가스 장치의 외관 사시도.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 진공 탈가스 장치의 종단면도 및 부분 확대도.

도 4는 본 발명의 프레임과 이동 새들러의 장치 구성을 보여주는 측면도.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 탱크 커버의 단면도 및 부분 확대도.

도 6a 및 도 6b는 각각 탱크 커버씰 및 래들 씰의 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 진공 탈가스 장치 110: 이동 새들러

111: 유압 유닛 112: 유압 실린더

113: 구동모터 114a: 구동휠

114b: 아이들 휠 120: 메인 프레임

121: 리프팅 가이드 130: 승강 프레임

200: 진공탱크 210: 진공탱크 본체

220: 진공탱크 커버 211: 커버 씰링홈

211a: 커버씰 221: 씰링돌기

222: 래들 씰링홈 222a: 래들씰

300: 수강래들 400: 정련래들

Claims

탱크 본체(210)와 탱크 커버(220)로 구성되어 바닥면 이하의 지중에 매설되는 것으로서, 탱크 본체의 측면에 진공펌프와 연결되는 배기포트(215)가 마련되고, 탱크 커버의 중앙부에는 주입관 수용부(223)가 형성되는 진공탱크(200);

상기 탱크 커버에 결합하는 것으로서 내부에 용강을 포함하는 정련래들(400);

상기 탱크 커버에 결합한 상기 정련래들로부터 주입되는 용강을 수용하는 것으로서 진공탱크의 내부에 안착되는 수강래들(300); 및

상기 진공탱크 양측의 상부 바닥면에 설치되는 레일(116)을 따라 왕복이동 가능하게 설치되는 것으로서, 구동모터(133)와 상기 구동모터에 의하여 회전하는 구동휠(114a)이 결합하는 이동 새들러(110), 상기 이동 새들러에 고정 결합하는 메인 프레임(120) 및 상기 이동 새들러 상에 상하로 운동가능하도록 설치되는 승강 프레임(130)을 가지는 탱크 커버 이송용 대차(140)를 포함하여 이루어지되,

상기 탱크 본체와 탱크 커버의 결합면 사이에는 링 형상의 커버씰(211a)이 위치하고, 탱크 커버와 정련래들의 결합면 사이에는 링 형상의 래들씰(222a)이 위치하는 것을 특징으로 하는 진공 탈가스 장치.
제 1항에 있어서,

상기 승강 프레임은 상기 이동 새들러 상에 설치되는 유압 실린더(112)에 연결되며, 상기 메인 프레임 상에 설치되는 리프팅 가이드(121)에 의하여 안내되어 상하로 운동하도록 된 것을 특징으로 하는 진공 탈가스 장치.
용강 내에 포함된 가스를 제거하기 위한 탈가스 방법에 있어서,

가) 바닥면 이하의 지중에 매설된 진공탱크의 내부에 예열된 수강래들을 위치시키는 단계;

나) 진공탱크 양측의 상부 바닥면에 설치되는 레일을 따라 왕복운동하는 탱크 커버 이송용 대차에 의하여 탱크 커버를 진공탱크의 상부로 이동시켜 결합하는 단계;

다) 용강을 포함하는 정련래들을 탱크 커버의 상부로 이동시켜 탱크 커버와 결합하는 단계;

라) 진공탱크 내부의 공기를 배출하여 진공탱크 내부를 진공상태로 유지하는 단계; 및

마) 정련래들 내에 포함된 용강을 진공상태를 유지하는 진공탱크 내부에 위치한 수강래들에 공급하여 용강중에 포함된 가스를 제거하는 단계

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진공 탈가스 방법.
제 3항에 있어서,

상기 마) 단계 이후에, 정련래들 및 탱크 커버를 제거하고 진공탱크 내에 위치한 수강래들을 진공탱크 밖으로 이동한 후 탈가스 된 용강을 주형에 주입함으로써 강괴를 형성하는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 진공 탈가스 방법.
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